基于ABAQUS壓縮式垃圾車提升機(jī)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞分析

羅煜林

摘要：為研究壓縮式垃圾車提升機(jī)構(gòu)的可靠性，文中通過研制一種壓縮式垃圾車提升機(jī)構(gòu)的質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)，利用SolidWorks三維軟件對(duì)壓縮式垃圾車的提升機(jī)構(gòu)及質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行建模，對(duì)主要受力部件進(jìn)行受力分析，再對(duì)其使用ABAQUS分析軟件結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和疲勞分析，找出提升機(jī)構(gòu)的薄弱部位，為后續(xù)提升機(jī)構(gòu)在質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)的可靠性試驗(yàn)提供對(duì)比分析驗(yàn)證，也為企業(yè)在專用裝置的可靠性分析提供一種方法，并為后續(xù)提升機(jī)構(gòu)連接構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓縮式垃圾車；提升機(jī)構(gòu)；可靠性；仿真分析

Strength and Fatigue Analysis of Lifting Mechanism Based on ABAQUS Compression Garbage Truck

LUO Yulin

（Longyan Branch of Fujian Special Equipment Supervision and Research Institute， Longyan 364000， Fujian， China）

Abstract： In order to study the reliability of the lifting mechanism of the compression garbage truck， this paper uses SolidWorks 3D software to model the lifting mechanism and quality inspection platform of the compression garbage truck by using a quality inspection platform of the compression garbage truck lifting mechanism， and then analyzes the main stressed parts， and then， the movement simulation and fatigue analysis are carried out by using ABAQUS analysis software combined with the test times required by the standard， and the weak position of the lifting mechanism is found out，. It also provides comparative analysis and verification for the reliability test of the subsequent lifting mechanism in the quality inspection platform， and also provides a method for the reliability analysis of the enterprise in the special device， and provides a basis for the structural optimization of the connecting components of the subsequent lifting mechanism.

Key Words： Compression garbage truck; Lifting mechanism; Reliability; Simulation analysis

0前言

提升機(jī)構(gòu)作為壓縮式垃圾車的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)垃圾桶的翻轉(zhuǎn)功能，并將垃圾桶中的垃圾倒入壓縮式垃圾車的填料機(jī)構(gòu)，利用刮板將垃圾帶入壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓縮過程。在此過程中，提升機(jī)構(gòu)的作用顯得尤為重要，不僅需滿足配合精度、強(qiáng)度，對(duì)安裝高度與翻轉(zhuǎn)角度也有很高的要求，以便垃圾桶能在設(shè)定位置將全部垃圾傾倒而出。

文中根據(jù)CJ/T 127-2016壓縮式垃圾車對(duì)提升機(jī)構(gòu)可靠性的要求，需進(jìn)行12000次的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，平均無故障時(shí)間大于等于5000次，可靠度大于80%，可靠性才符合要求[1]。根據(jù)調(diào)研，目前市場上缺乏壓縮式垃圾車提升機(jī)構(gòu)的檢測方法與手段，為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的可靠性研究，文中對(duì)研制的質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)與提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)主要零部件進(jìn)行受力分析，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與疲勞分析，實(shí)現(xiàn)可靠性的理論分析，后期再利用研制的質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠性循環(huán)試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)提升機(jī)構(gòu)的可靠性檢驗(yàn)。

1提升機(jī)構(gòu)主要零部件靜力分析

提升機(jī)構(gòu)主要由垃圾桶翻轉(zhuǎn)支架、輔助連接臂、支撐連接臂、固定支座、油缸組成。其工作原理如下：固定支座焊在質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)兩側(cè)，油缸、支撐連接臂及輔助連接臂與其連接，支撐連接臂與輔助連接臂的另一端與垃圾桶翻轉(zhuǎn)支架相連，由油缸驅(qū)動(dòng)支撐連接臂轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)垃圾桶翻轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)，翻轉(zhuǎn)支架上設(shè)有掛鉤，帶動(dòng)垃圾桶隨翻轉(zhuǎn)支架翻轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到一定角度時(shí)，垃圾桶自動(dòng)將垃圾傾倒進(jìn)填料機(jī)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)分析，提升機(jī)構(gòu)在正常工作時(shí)，由油缸伸出帶動(dòng)支撐連接臂轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)支架與垃圾桶翻轉(zhuǎn)。其主要受力零件為支撐連接臂，支撐連接臂主要受到垃圾重量與油缸驅(qū)動(dòng)的力矩，隨著翻轉(zhuǎn)支架的轉(zhuǎn)動(dòng)，垃圾桶重量與支撐連接臂的角度也不斷縮小，支撐連接桿所受到的力也增大，當(dāng)垃圾桶與地面水平時(shí)，此時(shí)垃圾處于臨界傾倒?fàn)顟B(tài)，支撐臂與重力方向的角度為50°。垃圾桶容積為240L，一個(gè)翻轉(zhuǎn)支架一般帶兩個(gè)垃圾桶，因翻轉(zhuǎn)支架對(duì)稱受力，則單個(gè)支撐臂支架的受力大小為1個(gè)垃圾桶的承載重量以及翻轉(zhuǎn)支架重量，以垃圾桶滿載時(shí)的質(zhì)量進(jìn)行分析，取密度為水的密度，則此時(shí)支撐連接臂收到的力如圖2、式（1）～（4）所示。

對(duì)O1點(diǎn)的力矩：

對(duì)O2點(diǎn)的力矩：

MO1X——重力在x方向上對(duì)支撐連接臂的力對(duì)O1點(diǎn)的力矩；

MO1y——重力在y方向上對(duì)支撐連接臂的力對(duì)O1點(diǎn)的力矩；

MO2X——重力在x方向上對(duì)支撐連接臂的力對(duì)O2點(diǎn)的力矩；

MO2y——重力在y方向上對(duì)支撐連接臂的力對(duì)O2點(diǎn)的力矩；

Fx——重力在x方向上對(duì)支撐連接臂的力；

Fy——重力在y方向上對(duì)支撐連接臂的力；

α——重力方向與支撐連接臂之間的夾角；

G1——垃圾桶重力，240kg；

G2——翻轉(zhuǎn)支架重力，50kg；

L1——Fx對(duì)O1點(diǎn)的力臂的力，352mm；

L2——Fy對(duì)O1點(diǎn)的力臂的力，32mm；

L3——Fy對(duì)O2點(diǎn)的力臂的力，500mm。

當(dāng)垃圾桶與地面垂直時(shí)，支撐連接臂與重力方向夾角α=78°，當(dāng)垃圾桶處于垃圾臨界倒出狀態(tài)時(shí)，支撐連接臂與重力方向夾角α=66°，重力在x方向?qū)χ芜B接臂的影響較小，只考慮重力在y方向上對(duì)支撐連接臂的影響，故當(dāng)支撐連接臂與重力方向夾角α=78°時(shí)，此時(shí)支撐連接臂受到的力矩最大，A點(diǎn)到O2點(diǎn)的距離最大，計(jì)算得MO2y=1418.31N·m。因支撐連接臂同時(shí)受到力與力矩的作用，則其受到的應(yīng)力為：

式中：

——支撐連接臂受到的最大應(yīng)力；

——支撐連接臂橫截面積；

——抗彎截面系數(shù)；

——支撐連接臂許用應(yīng)力。

支撐連接臂截面為矩形，其截面寬度h=230mm，板厚b=10mm，則其抗彎截面系數(shù)為：

代入式（5）得：

Q235材料的最大許用應(yīng)力為235MPa，故該提升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。

2提升機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析

利用solidworks對(duì)質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)和提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，將模型轉(zhuǎn)成step格式，并導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和強(qiáng)度分析，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元庫設(shè)置standard，幾何階次設(shè)置線性，選擇8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元C3D8R。與完全積分單元相比，線性減縮積分單元僅在單元中心包含一個(gè)積分點(diǎn)，而二次減縮積分單元的積分點(diǎn)數(shù)量與線性完全積分單元的相同。它可以在彎曲荷載下不易發(fā)生剪切自鎖現(xiàn)象，并對(duì)位移的求解結(jié)果比較精確，在網(wǎng)格存在扭曲變形時(shí)，分析的精度不會(huì)受到太大的影響[2]。因提升機(jī)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少分析工作量，取其中一半進(jìn)行分析，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。然后定義質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)和提升機(jī)構(gòu)的材料屬性，因所用材料為Q235，設(shè)置其楊氏模量為210Gpa，泊松比0.3。接著定義分析步，設(shè)置分析類型為動(dòng)力，隱式，時(shí)間長度為4s，初始增量步0.1，最小增量步1e-8。

再對(duì)分析對(duì)象相互作用，設(shè)置主要接觸方式為面與面接觸，主要為垃圾桶與整機(jī)的面面接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，法向剛度設(shè)置為硬接觸。還需設(shè)置邊界條件，對(duì)質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)底部約束支撐和對(duì)稱約束設(shè)置，結(jié)果如圖4、圖5所示。最后設(shè)置載荷，根據(jù)前面分析結(jié)果，分析對(duì)象主要承受垃圾桶的承載質(zhì)量與翻轉(zhuǎn)支架的重量，因只取一半進(jìn)行分析，其所受到的質(zhì)量為290kg，從垃圾桶處于水平放置狀態(tài)到垃圾完全傾倒而出的過程，液壓油缸需伸出31mm，故設(shè)置液壓缸的相對(duì)位移為31mm，以及重力加速度為10000。提交作業(yè)，分析結(jié)果。

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行單個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，滿足渲染結(jié)果為應(yīng)力結(jié)果，單位MPa，其運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果滿足要求，通過單個(gè)循環(huán)應(yīng)力分布可知，質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)與提升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)力主要集中于支撐連接臂與油缸鉸鏈連接處和支撐連接臂與固定支座鉸鏈處之間。從整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)力分布情況，單個(gè)循環(huán)最大應(yīng)力為141.4MPa，渲染為紅色區(qū)域，如圖6、圖7所示。Q235材料的最大許用應(yīng)力為235MPa，故該提升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求。

3提升機(jī)構(gòu)疲勞分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)構(gòu)的可靠性分析，還需利用ABAQUS結(jié)合Fe-safe的方法對(duì)提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞仿真分析，F(xiàn)e-safe是對(duì)疲勞耐久性分析和處理信號(hào)的一款較為先進(jìn)的仿真分析軟件，它是多軸疲勞分析解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者，算法先進(jìn)，功能全面細(xì)致，是世界公認(rèn)精度較高的疲勞分析軟件。ABAQUS結(jié)合Fesafe計(jì)算疲勞強(qiáng)度操作過程如圖8所示。

將ABAQUS分析得到的模型計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入fe-safe作為輸入模型，建立載荷的時(shí)間歷程、材料及其對(duì)應(yīng)的S-N曲線，并定義表面粗糙度、算法等相關(guān)參數(shù)。計(jì)算后得到提升機(jī)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的循環(huán)周次，輸出疲勞壽命，通過其他后處理軟件讀取相應(yīng)的可視化結(jié)果[3]。根據(jù)疲勞壽命分析結(jié)果，提升機(jī)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)最小壽命部件為支撐連接臂，疲勞壽命達(dá)22074，滿足CJT127-2016要求的12000次的要求，結(jié)果如圖9、圖10所示。

4結(jié)語

文中對(duì)支撐連接臂進(jìn)行理論計(jì)算分析，其最大應(yīng)力為140.26MPa，再利用ABAQUS軟件進(jìn)行仿真分析，得出最大應(yīng)力處也在支撐連接臂，為141.4MPa，相互驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。其強(qiáng)度小于應(yīng)力，符合要求。

然后，再將ABAQUS的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入fe-safe軟件進(jìn)行疲勞分析，其疲勞壽命薄弱點(diǎn)也在支撐連接臂，在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

根據(jù)分析結(jié)果，支撐連接臂與油缸和固定支座鉸接處之間最為薄弱。后期企業(yè)可參照分析結(jié)果加強(qiáng)此處的強(qiáng)度，如加大厚度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)以減少應(yīng)力集中，從而延長提升機(jī)構(gòu)的使用壽命。

最后，可靠性的試驗(yàn)結(jié)果不僅取決于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，還與控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，液壓系統(tǒng)、工作環(huán)境等有關(guān)系，后期還需結(jié)合質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)對(duì)提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，還可以將提升機(jī)構(gòu)與質(zhì)量檢驗(yàn)平臺(tái)置于環(huán)境倉真實(shí)模擬其工作環(huán)境，記錄其平均無故障工作次數(shù)，再根據(jù)試驗(yàn)次數(shù)，計(jì)算提升機(jī)構(gòu)的可靠度。

參考文獻(xiàn)

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部市容環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓縮式垃圾車：CJ/T 127-2016[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017：2.

[2]李志強(qiáng)，黃烈陽.基于ABAQUS的新型SIPs墻體數(shù)值模擬[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，39（1）：7.

[3]韋紅錢，倪培源，端傳捷.基于Fe-safe軟件的轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)疲勞分析及優(yōu)化建議[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2021，057（007）：82-85.