基于有限元的后装压缩式垃圾车兼容臂静力学性能分析
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作者:马红林
摘要：压缩式垃圾车的上料机构主要用于挂载不同容积的垃圾桶，兼容性是一个很重要的指标。对上料机构兼容臂做出了改进，使得上料机构可以挂载全系列垃圾桶，提高了整车的实用性，降低了设备预算成本。同时，基于有限元软件对改进的兼容臂进行了不同挂载下和翻转角度时的强度仿真分析。结果显示，新设计的兼容臂满足强度和刚度要求，其最危险状态在翻转初始状态时刻。
关键词：后装压缩式垃圾车；兼容臂；静力学分析；危险工况
中图分类号：U469.6 收稿日期：2022-10-08
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.008
1 前言
压缩式垃圾车是环卫车辆的重要组成产品，是城镇生活垃圾转移、运输的主力[1]。在实际应用中，这类车型的使用强度和使用环境是十分苛刻的，因此，其主要结构件的通用性和可靠性是工程师首要考虑的问题。丁继斌[2]运用定性和定量的方法分析了压缩车装填机构的故障树模型，推算出了一种发生故障的表达式，为产品的研发设计提供了一定的计算指导，刘中华等[3]设计了一种收运湿垃圾的压缩车，并进一步对上料机构、压缩机构等的原理进行了论述，为解决垃圾收集和运输中的飘洒和异味问题提供了新的思路。
后装压缩式垃圾车作为垃圾运输的主力，被众多研究者进行研究。研究过程中主要应用到了有限元分析软件，对设计结构的强度和刚度进行仿真验证，进而为产品改进提供依据，极大地提升了后装压缩式垃圾车的通用性，增加了其使用寿命。王彦飞[4]利用ANSYS软件对后装压缩车的上装结构进行了拓扑优化分析，通过对优化前后上装的强度、刚度、稳定性、经济性对比，给出了上装设计的一些思路。朱德生[5]基于ANSYS做了无泄漏压缩式垃圾车上料装置优化设计，主要针对上料机构的支座断裂、结构笨重、研发周期长等问题做了相应的改进，优化后的各项性能参数均得到了提高。Voicu等[6]基于Solidworks对压缩车的推板板面进行了建模以及仿真分析，其对分析过程中出现的应力集中现象提出了相应的设计方案，对推板的设计具有一定的参考价值。陆永能[7]通过先期垃圾对垃圾车产生的压力分布研究，确定了垃圾车工作机构的具体载荷条件和加载边界，进而利用ANSYS软件分析了工作机构的静力学性能，并根据结果进行了优化，极大地减轻了垃圾车的自重。上述研究对提高产品的可靠性和运输能力有着实际的指导意义。
翻转架机构作为保障后装压缩式垃圾车顺利实现垃圾收集的模块，研究其通用性和关键部件的结构强度至关重要。本文主要针对兼容臂结构进行了改进，首先改进了兼容臂的挂载通用性，能挂载660 L和800 L垃圾桶，通过特征设计，使得兼容臂具有自卡紧功能，减少了外加的卡紧机构，加强了挂载可靠性。同时，在薄弱截面处增加了加强筋，改善了结构件的抗扭能力，增加了兼容臂的疲劳寿命，并基于有限元软件分析了兼容臂在不同工况下的强度和受力变化情况，使得兼容臂的整个动态变化情况更为直观，为后续的进一步改进提供了数据支撑。
2 模型介绍
上料机构是后装压缩式垃圾车的重要组成部分，如图1所示，其中1为骨架、2为挂桶板、3为兼容臂，为改进兼容臂后的形态，通过翻转油缸提供动力，可以使整个上料机构进行旋转，从而带动垃圾桶上料。
兼容臂改动主要包括增加长条筋板，增大已发生变形处的截面，同时对样式进行了改进，增加了多用途能力。图2、图3、图4分别为挂载120 L和240 L、660 L、800 L垃圾桶时的状态。
3 兼容臂改进
兼容臂的主要功能是挂载大容量的垃圾桶，在满足多功能的同时，设计强度和刚度同样需要满足需求，图5为改进前的兼容臂，厚度为16 mm，其只能挂载800 L垃圾桶，在使用过程中需要额外增加挡块机构，避免在反转过程中垃圾桶发生脱落，对设备造成损坏，并且在实际使用过程中图5位置处会发生大变形情况，针对出现的刚度和功能单一问题，重新设计了兼容臂结构。
改进后的兼容臂如图6所示，首先对兼容臂的自涌紧做出了改进，使得垃圾桶在任意翻转角度都不会脱落；之后对下侧筋板做了延长，增加了变形处的横截面积。
4 静力学分析
4.1 网格划分和受力分析
改进后的兼容臂的强度和刚度主要用三维软件的Simulation模块进行分析，主要是利用有限元思想，通过网格划分控制计算精度，网格划分如图7所示。图中网格密集部分为最大应力可能出现处，所以对网格大小进行了局部控制，以保证计算结果的精确性。
后装压缩式垃圾车在工作状态时，主要受垃圾桶产生的重力影响，受力状态如图8所示。假设在试验时垃圾桶装满水，并且在翻转过程中不会溢出，通过图8所示的情况可知，兼容臂在重力作用下主要受到弯扭作用。
4.2 挂载660 L垃圾桶时强度分析
图9～图13为翻转架挂载660 L垃圾桶时的应力情况。本文分别对兼容臂翻转到不同的角度时的应力分布情况进行了模拟，以兼容臂与垃圾桶刚刚接触时为0°，翻转角度设定为0°、30°、45°、60°、90°。由图示结果可知，当兼容臂挂载660L垃圾桶时，随着翻转角度逐渐增大，最大应力值逐渐减小，分别为130.23 MPa、114.06 MPa、93.9 MPa、66.15 MPa、37.01 MPa。图9～图12中，最大应力值发生在点A位置（同图6中的A点）附近，图13中最大应力值发生在点B位置（同图6中的B点）附近，这与力臂发生变化有关。结果显示，在挂载660 L垃圾桶的状态下，0°时的应力最大，此时点A处虽然不是弯矩最大处（扭矩处处相同），但此处的力臂较长，且横截面较小，是极惯性矩最小处，表明初始状态是最危险状态，这里最大的应力值为130.23 MPa，小于屈服应力220.59 MPa，因此兼容臂结构满足强度要求。
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图14为应力最大时的位移云图，最大位移w（挠度）为0.823 mm，兼容臂长度为658 mm，比值为1/800，兼容臂可视为悬臂梁，梁的许用比值限制为[1250≤wl≤11 000][8]，度满足设计需求。
4.3 挂载800 L垃圾桶时强度分析
图15～图19为翻转架挂载800 L垃圾桶时的应力情况。本文分别对兼容臂翻转到不同的角度时应力分布情况进行了模拟，以兼容臂与垃圾桶刚刚接触时为0°，翻转角度设定为0°、30°、45°、60°、90°。由应力云图可知，当兼容臂挂载800 L垃圾桶时，随着翻转角度逐渐增大，最大应力值逐渐减小，分别为195.08 MPa、138.77 MPa、118.93 MPa、111.78 MPa、66.72 MPa。结果显示，从0°到90°，最大应力值都发生在点A位置附近。同时，挂载800 L垃圾桶时，传递力的接触点随着兼容臂的转动不断滑动变化，使最危险点处受到的弯矩不断减小，并且在实际工况中兼容臂与垃圾桶完全开始接触时，兼容臂已经形成了一定角度，从而使最大应力值小于0°时的最大应力值195.08 MPa，因此挂载更重的800 L垃圾桶时，兼容臂结构也是满足强度要求的。
图20为应力最大时的位移云图，最大位移w（挠度）为1.201 mm，兼容臂长度为658 mm，比值为1/548，兼容臂可视为悬臂梁，梁的许用比值限制为[1250≤wl≤11 000]，刚度满足设计需求。
5 结语
本文在介绍了改进后的上料机构的通用性，并基于Simulation模块对关键部件的静力学性能进行了仿真分析，得出了以下结论：
a.当兼容臂挂载两种不同规格的垃圾桶时，在90°范围内，随着兼容臂转动角度增大，最大应力值逐渐减小。
b.兼容臂最危险工况发生在垃圾桶离开地面的瞬间。
c.应力最大值发生在最小横截面段的弯矩最大位置处。
d.挂载660 L、800 L垃圾桶时兼容臂的最大位移在允许范围内，刚度满足需求。
e.新设计兼容臂的自卡紧功能有效地避免了在翻转过程中垃圾桶因冲击而产生的较大晃动和脱落。
参考文献：
[1]彭闯成新形势下我国后装压缩式垃圾车的市场展望和发展方向[J]专用汽车，2018（6）：54-57
[2]丁继斌XZ5110ZYS型后装压压缩式垃圾车装填机构可靠性分析[J]现代机械，2003（6）：53-55
[3]刘中华，张寅一种新型环保压缩式垃圾车[J]专用汽车，2022（1）：42-45
[4]王彦飞后装压缩式垃圾车上装结构拓扑优化研究[D]长沙：中南大学，2014
[5]朱德生基于ANSYS无泄漏压缩式垃圾车上料装置优化设计[J]机电技术，2020（5）：60-64
[6]Voicu G，Lazea M，Constantin G A，et al Finite element analysis of the compaction plate from a garbage truck[C]E3S Web of Conferences，2020，180：04006
[7]陆永能后装式压缩垃圾车垃圾压缩过程模拟及结构分析与改进[D]长春：吉林大学，2019
[8]孙训方，方孝淑，关来泰材料力学（Ⅰ）[M]北京：高等教育出版社，2009
作者简介：
马红林，男，1991年生，助理工程师，研究方向为专用汽车技术。
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