摘要：隨著國(guó)家對(duì)垃圾分類(lèi)、收集、壓縮、稱(chēng)重、轉(zhuǎn)運(yùn)、處理等各環(huán)節(jié)的重視，市場(chǎng)亟需一款安全穩(wěn)定的高位舉升自裝卸式垃圾車(chē)。為了使垃圾車(chē)能保證在工作過(guò)程中可靠收運(yùn)，實(shí)現(xiàn)全生命周期的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)垃圾車(chē)9個(gè)典型工況進(jìn)行分析，得到應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，并由此分析垃圾車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，研究結(jié)論為后續(xù)垃圾車(chē)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論支持。

關(guān)鍵詞：有限元分析；高位舉升自裝卸式垃圾車(chē)；典型工況

中圖分類(lèi)號(hào)：U469? 收稿日期：2024-02-19

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405015

1 前言

隨著國(guó)家對(duì)垃圾收集、壓縮、轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)的重視，環(huán)衛(wèi)垃圾車(chē)越來(lái)越普及，隨之而來(lái)也出現(xiàn)了垃圾車(chē)的安全性能問(wèn)題。如果垃圾車(chē)發(fā)生故障損壞，輕則影響垃圾收集效率、污染環(huán)境，重則造成交通事故影響生命財(cái)產(chǎn)安全。因此為了提升高位舉升自裝卸式垃圾車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，縮短研發(fā)周期，降低企業(yè)成本，本文對(duì)垃圾收集車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析[1-2]。

2 有限元模型的建立

對(duì)所設(shè)計(jì)的高位舉升自裝卸式垃圾車(chē)進(jìn)行有限元計(jì)算，考查自裝卸式垃圾車(chē)各主要部分的應(yīng)力情況。表1所示為自裝卸式垃圾車(chē)的材料參數(shù)，將簡(jiǎn)化后的垃圾車(chē)模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中。

進(jìn)行建模時(shí)，為了減小建模、有限元分析的工作量，避免小的結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格時(shí)產(chǎn)生大量的有限元單元而造成整體網(wǎng)格質(zhì)量的下降，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的分析精度，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將結(jié)構(gòu)中的小圓孔、倒角、螺栓孔等去除[3]。

3 典型工況強(qiáng)度分析

該型號(hào)高位舉升自裝卸式垃圾車(chē)可以裝載2 290 kg垃圾，提料臂最大舉升重量為250 kg，刮板滿(mǎn)載工作時(shí)受到的最大壓力為6 34907 N。垃圾車(chē)進(jìn)行裝料和卸料時(shí)的9種典型工況如表2所示。

31 工況一強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，將垃圾車(chē)車(chē)架兩側(cè)支腿處和車(chē)架部分底面添加Fixed Support，在垃圾車(chē)內(nèi)部施加垂直向下的均布載荷22 900 N[4]，如圖1所示。

圖2為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖3應(yīng)力局部放大圖，圖4為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：圖中應(yīng)力最大的地方是由于局部的應(yīng)力集中引起的[5]，在不考慮應(yīng)力集中的影響時(shí)，垃圾車(chē)車(chē)架上應(yīng)力較大的位置如圖3所示，變形較大的地方如圖4所示。

32 工況二強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，將垃圾車(chē)車(chē)架兩側(cè)支腿處和車(chē)架部分底面添加Fixed Support，在垃圾車(chē)內(nèi)部施加垂直向下的均布載荷22 900 N，如圖5所示。

圖6為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖7為應(yīng)力局部放大圖，圖8為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：圖中應(yīng)力最大的地方如圖7所示，是由于局部的應(yīng)力集中引起的。由圖8變形云圖可知車(chē)箱底板變形較大。

33 工況三強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，將垃圾車(chē)車(chē)架兩側(cè)支腿處和車(chē)架部分底面添加Fixed Support，在垃圾車(chē)內(nèi)部施加垂直向下的均布載荷22 900 N，如圖9所示。

圖10為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖11為應(yīng)力局部放大圖。圖12為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：圖中應(yīng)力最大的地方如圖11所示，是由于局部的應(yīng)力集中引起的，在不考慮應(yīng)力集中的影響時(shí)，垃圾車(chē)車(chē)架上應(yīng)力較大的位置如圖12所示。

34 工況四強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，將垃圾車(chē)車(chē)架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N，如圖13所示。

如圖14為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖15為應(yīng)力局部放大圖，圖16為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：圖中應(yīng)力最大的地方是由于局部的應(yīng)力集中引起的，在不考慮應(yīng)力集中的影響時(shí)，垃圾車(chē)車(chē)架上應(yīng)力較大的位置如圖15所示，變形較大的位置如圖16所示。

35 工況五強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，將垃圾車(chē)車(chē)架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N[5]，如圖17所示。

圖18為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖19為應(yīng)力局部放大圖，圖20為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：圖中應(yīng)力最大的地方是由于局部的應(yīng)力集中引起的，在不考慮應(yīng)力集中的影響時(shí)，垃圾車(chē)車(chē)架上應(yīng)力較大的位置如圖19所示。

36 工況六強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，將垃圾車(chē)車(chē)架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N，如圖21所示。

圖22為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖23為應(yīng)力局部放大圖，圖24為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：圖中應(yīng)力最大的地方是由于局部的應(yīng)力集中引起的，在不考慮應(yīng)力集中的影響時(shí)，垃圾車(chē)車(chē)架上應(yīng)力較大的位置如圖23所示。如圖24所示，車(chē)架提料臂位置變形較大。

37 工況七強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，將垃圾車(chē)車(chē)架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N，如圖25所示。

圖26為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖27為應(yīng)力局部放大圖，圖28為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：圖中應(yīng)力最大的地方是由于局部的應(yīng)力集中引起的，在不考慮應(yīng)力集中的影響時(shí)，垃圾車(chē)車(chē)架上應(yīng)力較大的位置如圖27所示，變形較大的位置如圖28所示。

38 工況八強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，將垃圾車(chē)車(chē)架底面添加Fixed Support，在提料臂上施加垂直向下的均布載荷2 500 N，如圖29所示。

圖30為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖31為應(yīng)力局部放大圖，圖32為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：圖中應(yīng)力最大的地方是由于局部的應(yīng)力集中引起的，在不考慮應(yīng)力集中的影響時(shí)，垃圾車(chē)車(chē)架上應(yīng)力較大的位置如圖31所示，變形較大的位置如圖32所示。

39 工況九強(qiáng)度分析

對(duì)有限元模型施加約束，根據(jù)垃圾車(chē)的實(shí)際工作情況，在刮板上施加垂直向后的均布載荷6 34907 N，將刮板兩側(cè)添加Displacement，在刮板的下方添加Fixed Support的極限工況，如圖33所示。

圖34為垃圾車(chē)應(yīng)力云圖，圖35為應(yīng)力局部放大圖，圖36為垃圾車(chē)應(yīng)變?cè)茍D。

由有限元計(jì)算得到的應(yīng)力和變形結(jié)果可知：如圖34所示，圖中應(yīng)力最大的地方是由于局部的應(yīng)力集中引起的。在不考慮應(yīng)力集中的影響時(shí)，垃圾車(chē)車(chē)架上應(yīng)力較大的位置如圖35所示，刮板變形較大的位置如圖36所示。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合工況四～工況八可以看出，提料臂受到的應(yīng)力較大，最大達(dá)到了52945 MPa，應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在提料臂與車(chē)架固定區(qū)域。通過(guò)對(duì)高位舉升自裝卸式垃圾車(chē)九種工況的分析，由圖8、圖24、圖28、圖36可以看出，刮板、提料臂、垃圾車(chē)車(chē)箱底板變形較大，刮板、提料臂、垃圾車(chē)車(chē)箱底板是系統(tǒng)中的薄弱構(gòu)件[6-7]，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以確保垃圾車(chē)符合使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]喻永巽ANSYS Workbench的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析[J]機(jī)電工程技術(shù)，2014，43（9）：138-140

[2]Mahdavinejad RFinite element analysis of machine and workpiece instability in turning［J］International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，45（7）：753-760

[3]匙皓，楊林，唐曉曉裝配體有限元分析方法研究[J]機(jī)械研究與應(yīng)用，2017，30（2）：78-79+82

[4]曾攀有限元分析及應(yīng)用[M]北京：清華大學(xué)出版社，2002

[5]丁兆青高位舉升自裝卸式垃圾車(chē)設(shè)計(jì)[J]專(zhuān)用汽車(chē)，2020（9）：82-86

[6]馮晉祥專(zhuān)用汽車(chē)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018

[7]劉鴻文材料力學(xué)[M]北京：高等教育出版社，2019.

作者簡(jiǎn)介：

蔡卿，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)衛(wèi)設(shè)備、農(nóng)業(yè)機(jī)械。