移动式垃圾压缩站结构及优化分析_张莉霞.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言我国城镇化快速发展带来严重的垃圾处理问题。移动式垃圾压缩站作为一种便捷的垃圾收集转运设备，具有承载量大、破碎功能强等优点。在垃圾压缩站设计制造过程中，箱体结构性能设计是重要内容，通过对车厢的力学性能和结构性能进行仿真分析，可优化压缩站结构与应力分布，强化其力学稳定性。2移动式垃圾压缩站结构模型建立2.1整体模型架构利用Hyper Mesh模型将压缩站板壁结构进行模型处理，将结构空隙、实际结构的焊缝、对结构影响小的孔洞做分部处理，可达到提升网格质量的目的，消除不合理应力及其改变。根据实际垃圾压缩站尺寸与精度要求，设置网格 尺寸 为10 mm，按照三角形、四边形混合网格划分后，清除其中翘曲度、倾斜角、雅克比等不符合规范的网格；网格划分结束后需赋予单元属性，其中泊松比为0.3，弹性模量210 000 N/mm2，处理后的模型结构如图1所示。图 1模型结构示意图2.2特殊工况及其荷载处理移动式垃圾压缩站结构优化的主要目的是强化设备对不同工况的适应能力，因此，在图1模型的基础上，完成箱体、后门与翻转结构组装后，本模型将危险工况设定为垃圾满载、压缩机构推头推力达到最大值（360 000N）、翻转机构角度不超过102等1。2.3移动式垃圾压缩站结构稳定性测试采用电阻测试方法，将应变敏感元件粘贴在被测结构表面，在加载情况下结构产生的变形应力可直接传送至应变片上，可根据应变与应力关系推导应力变化情况。在测试电路中，结构变化导致电阻应变片栅格变形，使电阻值发生改变，【作者简介】张莉霞（1980），女，山东聊城人，工程师，从事环卫建筑工程研究。移动式垃圾压缩站结构及优化分析Structure and Optimization Analysis of Mobile Garbage Compression Station张莉霞（聊城市城市环境卫生管理服务中心，山东 聊城 252000）ZHANG Li-xia(Liaocheng City Environmental Sanitation Management Service Center,Liaocheng 252000,China)【摘要】针对移动式垃圾压缩站性能有限的问题，利用 Hyper Mesh 模型提出移动式垃圾压缩站结构优化方案，解决了该装置载荷受限问题，降低了各铰点的约束力，强化翻转结构性能的目标。基于 Hyper Mesh 模型仿真的研究结果表明：通过垃圾压缩站轻量化不仅可强化结构稳定性，还能准确地解决危险工况对压缩站运行安全的影响。【Abstract】In view of the limited performance of the mobile garbage compression station,the Hyper Mesh model is used to propose thestructural optimization scheme of the mobile garbage compression station,which solves the problem of the limited load of the device,reduces the binding force of each hinge point and strengthens the objective of turning over the structural performance.The research resultsbased on Hyper Mesh model simulation show that the lightweight garbage compression station can not only strengthen the structuralstability,but also accurately solve the influence of dangerous working conditions on the operation safety of the compression station.【关键词】移动式；垃圾压缩站；仿真分析【Keywords】mobile;garbage compression station;simulation analysis【中图分类号】TH122；X705【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0124-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.038124而电阻变化所产生的电信号改变，经放大后输送至指示仪中。2.4载荷边界条件设置载荷边界条件包括推头的阻力、整机的自身重力等，其与移动式垃圾压缩站各结构在压缩工作状态下受到的载荷密切相关。在压缩状态下将推头全部推出，此时推力达到最高水平，因此，需设置2个液压缸共同作用满足设备运行要求。推头的推力计算公式如下：F=n4D2Pcos（1）式中，F为最大压缩力，N；D为液压缸的直径，mm；为最大推头压缩力方向与液压缸中心线的夹角值，（）；P为液压缸的工作强度，MPa；n1为液压缸的数量，个。优化移动式垃圾压缩站结构的关键，就是要确保载荷边界条件合理，而考虑到移动式垃圾压缩站生产工艺，该装置为钢材，因此，取钢材密度即可，再取重力加速度计算出移动式垃圾压缩站的自重荷载。若设备的等效应力低于材料许用应力，则证明设备存在改进空间。2.5评估优化效果在优化移动式垃圾压缩站结构过程中，应分析各个结构的变量变化，根据其力学性能约束指标、设计变量约束条件等判断改进方案的合理性，其计算方法可参照式（2）：max（）（2）式中，max（）为各个结构最大等效应力，MPa；为结构许用应力，MPa。在几何约束条件下，本文以各设计变量取值范围为评估对象，其关系式如式（3）所示。XiLXiXiU（3）式中，XiL为变量Xi的下限值；XiU为设计变量的上限值；i=1，2，3，n。在本次数据计算中，考虑到各设计变量之间的相关性，在数据相互影响的情况下，不设置变量之间的约束条件。在强度计算中根据材料屈服强度、极限强度判断其受力变化，根据该结果可判断结构设计方案是否合理2。3移动式垃圾压缩站结构优化方案与仿真分析3.1结构改进策略3.1.1后门与门框的改进应力检测结构显示，移动式垃圾压缩站结构在模型中的许用应力初始值为230 MPa，在设定应力最大边界值后发现后门位置应力偏大，且门框底部（与后门铰接）位置出现大范围的应力集中区域。在改进方案中为达到强化门框强度、维持移动式垃圾压缩站结构稳定的目的，在门框内部焊接5 mm厚肋板，达到消除应力集中的目的。同时后门铰接位置单薄，导致承力部位少，这是结构强度不达标的主要原因，因此，考虑在后门与门框连接位置焊接支撑板（见图2）。根据图2中结构优化方案，可达到强化肋板材料强度的效果，且仿真分析数据也证明，改进后的结构超出许用应力的区域小于一个单元格，可以认为满足安全要求。增加的肋板图 2连接位置的改进方案在垃圾压缩、转运过程中，防泄漏是不容忽视的问题。移动式垃圾压缩站防泄漏功能主要依托后门与门框之间的密封条实现，相较于其他部分，后门的刚度处理尤为重要，直接关系装置性能。根据现场垃圾压缩实验的检测结果显示，当连续装载50斗（每斗垃圾质量约为300 kg）垃圾时，系统产生警报。因此，需要增加移动式垃圾压缩站后门刚度。根据模型检测结构，当推头压力从28.8 kPa提升至36 kPa时，门框所产生的变形约为20%，因此为避免漏水，需将其强度提升25%以上。因后门轴向最大变形量为1.8 mm，门框轴向变形量为1.6 mm（见图3），二者缝隙较大，再加之变形方 向不同，导致二者在极限工况下配合度不理想。为 提 升 门 框 与 后 门 的 抗 变 形 能力，采取扩大门框轴向尺寸的方法，在纵向变形明显位置增设肋板。其中底部连接位置的肋板厚10 mm，可以有效强化抗弯曲变形能力。优化后门的最大轴向变形量为1.25 mm，门框变形量为0.75 mm。图 3门框与后门位移云仿真结果IndustrialEngineeringDesign工业工程设计125Construction&DesignForProject工程建设与设计为改善门框所与后门连接位置的强度，将原本的单锁紧调整为双锁紧，改造后应力对后门变形的影响下降，此时检测结果显示在极限工况下后门产生的变形量为0.63 mm，解决了门框变形问题；同时双锁紧模式也可以解决应力集中问题，除部分区域外，大部分区域均低于许用应力，提示其结构满足安全性管理要求3。经刚度优化后，整个结构的刚度显著增强，门框变形量与原始结构相比减少50.0%以上，后门变形量相较于原始模型减少40.0%以上，避免了垃圾压缩中出现漏水等问题。3.1.2箱体结构改造方案箱体结构承担垃圾自重荷载、摩擦力与压缩膨胀力，且力学环境复杂。本次软件仿真结果显示，箱体结构底板与连接位置间存在大范围的应力区域，其中应力超过材料屈服强度极限，这也是移动式垃圾压缩站结构损坏的主要原因。为改善受力结构，在本次改造方案中将原本2道箱体支撑结构改变为3道支撑，即在箱体底部增设1条宽4 mm且与箱体长度相同的支撑板。改造后经模型分析显示，结构所受应力水平明显下降，明显低于需用应力，提示其强度指标满足要求。3.1.3推头结构改进方案推头为箱体结构，箱体尺寸大且能够提供大推力，极限状态下该装置所产生的推力可超过36 t，但因推头中间部位无支撑，结构应力偏高，可能超出屈服强度而导致破坏。在改进推头结构时，考虑在推头内焊接2块肋板，改进后推头结构的支撑强度明显增加，应力水平下降。3.2移动式垃圾压缩站结构轻量化处理方案3.2.1箱体轻量化在改进前，移动式垃圾压缩站结构箱体的最大应力为302 MPa，整体水平偏高，故可在满足结构强度额基础上实现轻量化，实现减小壁厚、降低质量的目的。改造方案中用4 mm板材替代5 mm板材，改进后计算其强度值。根据模型仿真结果显示，改进后箱体强度无明显改变，但结构应力偏高问题得以解决，小于许用应力的区域占比明显提升。3.2.2压缩站入料口及前部肋板改造方案移动式垃圾压缩站通过推头将垃圾压缩到站体后方，且入口位置受到垃圾自重荷载、摩擦力的荷载影响小。根据检测的肋板应力可发现，肋板（除尖角位置）的应力明显低于箱体主应力，而该部分的结构厚度与箱体厚度相同。因此，在轻量化改造中可通过降低此处板厚的方法达到优化结构的目的。本文所提出的改造方案为：用3.5 mm标准钢替代5.0 mm标准钢，改造后结构质量减少约75 kg。改造后的应力检测结果显示，结构强度符合许用应力标准，具有可行性。3.2.3翻转机构连杆改造翻转结构的连杆强度高，根据对移动式垃圾压缩站结构中2个翻转结构检测后，显示其最大应力值为198 MPa、175 MPa，明显低于许用应力，因此可作减重处理。为实现结构轻量化的目标，本次设计中将侧板厚度调整为8 mm，上下两个部位的板材厚10 mm，改进后结构强度满足安全使用要求。3.2.4箱体底部横梁与连接槽钢改进方案底部横梁承载箱体与垃圾的重量，且不承受摩擦力与挤压力，力学环境满意，其应力偏低，检测结果显示最大应力值约为170 MPa；连接槽钢的功能是维持底部横梁的稳定性，所承受的应力较小，检测结果显示其最大应力值不足25 MPa，因此，上述两个结构可通过优化尺寸的方法实现轻量化处理。由于二者应力较小，因此，可考虑将横梁的板材从最初的7.5 mm改为5.0 mm，槽钢板材厚度从5.0 mm下调至3.5 mm。改造后进行应力检测，结构检测结果证实箱体底部横梁与连接槽钢改造后的结构应力低于许用应力，满足安全性要求。4结语随着城市垃圾处理压力增加，我国在垃圾压缩设备的设计研发中取得良好效果，但是因为技术起步较晚，我国移动式垃圾压缩站的性能与一流技术相比仍存在较大差异。移动式垃圾压缩站结构复杂，进一步增加了结构改进、优化的难度。本文所提及的优化工艺实现了后门结构与刚度改进，翻转机构连杆改造方案、箱体底部横梁与连接槽钢改进方案、箱体轻量化、压缩站入料口及前部肋板改造方案等技术措施具有可行性，有助于降低结构重量，提升稳定性，值得进一步推广。【参考文献】1李勇键,吴俊逸,邓昊,等.大型垃圾压缩站用压缩油缸静应力分析J.液压气动与密封,2021,41(12):63-66.2汪腾英.移动式垃圾压缩站结构分析及优化研究J.中国科学探险,2021(4):106-108.3杨一帆.某垃圾压缩站渗沥液二级A/O工艺设计J.广东化工,2021,48(13):127-129,136.【收稿日期】2022-12-28126