沈磊，李明林

(1. 福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350116； 2. 福建省高端裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 福州 350116)

0 引言

移動分體式垃圾壓縮站因其舉升機構(gòu)可配套多個壓縮箱體，垃圾處理效率較高，正逐漸為國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)和用戶所接受和推廣。 目前已有文獻(xiàn)針對移動連體式垃圾壓縮站的舉升機構(gòu)開展了動力學(xué)仿真和優(yōu)化研究。廖林清等[1]對連體式垃圾壓縮站舉升機構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)分析，并且以液壓缸的驅(qū)動載荷最大值為優(yōu)化目標(biāo)完成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使得液壓缸驅(qū)動載荷最大值較優(yōu)化前降低了10.7%。賀磊等[2]基于ADAMS對舉升機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，并且以垃圾翻斗質(zhì)心加速度最大值的最小化為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了動力學(xué)優(yōu)化。然而，這些文獻(xiàn)僅涉及移動連體式垃圾壓縮站的舉升機構(gòu)，針對移動分體式垃圾壓縮站舉升機構(gòu)的研究則未見文獻(xiàn)報道。

本文建立移動分體式垃圾壓縮站舉升機構(gòu)的二維簡圖。基于ADAMS軟件對其動力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析，以舉升機構(gòu)的桿件連接點坐標(biāo)為設(shè)計變量，以液壓桿驅(qū)動功率最大值的最小化為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對其進(jìn)行機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計。在獲得優(yōu)化的機構(gòu)參數(shù)后，針對工況嚴(yán)峻的時刻，基于ANSYS有限元軟件對其結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行了模擬分析。分析結(jié)果可為該類垃圾壓縮站舉升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供必要的理論依據(jù)。

1 舉升機構(gòu)的動力學(xué)優(yōu)化

1.1 舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)介紹

移動分體式垃圾壓縮站舉升機構(gòu)包含：料斗、廂體以及對稱布置在料斗及廂體兩側(cè)的拉桿、主動臂、液壓缸等5部分。其液壓缸鉸接在箱體底座上，主動臂兩端分別鉸接在箱體底座和料斗上，拉桿兩端分別與料斗和箱體底座鉸接。

舉升機構(gòu)可以簡化為四連桿機構(gòu)，如圖1所示。圖中AE為主動臂的簡化模型，DF為拉桿，EF為料斗，而AD為箱體底座。其中，主動臂與拉桿分別對應(yīng)四連桿機構(gòu)的擺桿，而料斗對應(yīng)與四連桿機構(gòu)的連桿。

圖1中實線構(gòu)型為舉升機構(gòu)的初始裝料位置，此時料斗置于平地。虛線構(gòu)型為卸料位置，此時料斗與壓縮箱體并不貼合。

1—主動臂AE；2—液壓缸BC；3—拉桿DF；4—料斗EF；5—箱體底座AD圖1 舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

在舉升機構(gòu)的運動周期內(nèi)，其液壓缸驅(qū)動載荷需要先充壓至一定的數(shù)值，裝滿垃圾的料斗才開始脫離地面。當(dāng)料斗升起后，液壓缸在初始行程中，為機構(gòu)提供推力。液壓缸的推力先是緩慢增加，達(dá)到最大值后，緩慢減少，隨后迅速衰減到0 N，表明此時負(fù)載主要由舉升機構(gòu)的其他構(gòu)件承載。之后，液壓缸的驅(qū)動力變?yōu)槔?，并隨著垃圾卸載完畢，液壓缸的驅(qū)動力隨之減為0 N。

采用ADAMS軟件建立舉升機構(gòu)的仿真模型。舉升機構(gòu)各組成部分的尺寸為：液壓缸長度500 mm，液壓桿長度600 mm，主動臂長度1 700 mm，拉桿長度1 000 mm。此外，機構(gòu)桿件的模型尺寸除厚度和寬度以外都按照實際尺寸進(jìn)行設(shè)計。液壓缸選用HSG-G80/40×370型，缸徑為80 mm，桿徑為40 mm，最大行程為370 mm。

1.2 確定目標(biāo)函數(shù)及約束條件

目標(biāo)函數(shù)的建立需要選取設(shè)計中最為重要的設(shè)計目標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，否則，設(shè)計將會偏離目標(biāo)。此外，目標(biāo)函數(shù)必須具有一定的靈敏度。否則，將難以完成尋優(yōu)[3]考慮到液壓缸所能承受的最大載荷關(guān)系到整個舉升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度和承載，舉升機構(gòu)的驅(qū)動功率則直接對應(yīng)著其工作時的能耗。而此前的研究成果表明，以驅(qū)動功率最大值的最小化為目標(biāo)函數(shù)的機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化結(jié)果略優(yōu)于以液壓缸驅(qū)動載荷的優(yōu)化結(jié)果。故選取液壓缸的驅(qū)動功率最大值的最小化為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

當(dāng)將液壓缸視為驅(qū)動時，舉升機構(gòu)的余下桿件可簡化為雙搖桿機構(gòu)。對于雙搖桿機構(gòu)，各個桿件長度均需滿足如下基本關(guān)系，這也是被用作機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化的約束條件：

LAE+LDFLAD；LAE>LEF；LAD>LDF；LEF>LDF。

1.3 機構(gòu)模型的參數(shù)化

在進(jìn)行舉升機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計時，需要建立ADAMS虛擬樣機模型，如圖1所示。通過對舉升機構(gòu)的各個點進(jìn)行參數(shù)化，選取圖1中的A、B、C、D、E五個點的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)為優(yōu)化設(shè)計變量，分別命名為DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_5、DV_6、DV_7、DV_8、DV_9 、DV_10。為加快機構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化進(jìn)程，需要對上述優(yōu)化設(shè)計變量進(jìn)行影響度分析[5]。影響度的單位為N/mm，表示設(shè)計變量每增加1mm，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(此處為液壓缸驅(qū)動功率)就相應(yīng)變化，正值為驅(qū)動功率增加，而負(fù)值為減少。通過影響度分析，最終確定的優(yōu)化設(shè)計變量為DV_1 -DV_9[4]。

1.4 優(yōu)化計算

對舉升機構(gòu)的動力學(xué)優(yōu)化采用Adams/view模塊中的OPTDES-SQP算法，優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。液壓缸驅(qū)動功率的最大值經(jīng)過13次迭代后降至1.638 7×103W，較之優(yōu)化前的1.787 9×103W降低了8.34%。

圖2 舉升機構(gòu)液壓缸驅(qū)動功率的優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過動力學(xué)優(yōu)化，虛擬樣機模型的設(shè)計變量均發(fā)生了變化，如表1所示。

表1 舉升機構(gòu)優(yōu)化前后設(shè)計變量

由于設(shè)計變量是與機構(gòu)尺寸密切相關(guān)的，因此優(yōu)化后機構(gòu)的尺寸和構(gòu)型也將相應(yīng)改變，如桿長。優(yōu)化后，舉升機構(gòu)主動臂AD的長度為1 684 mm，拉桿DE的長度717 mm，料斗EF的取值為1 150 mm。

按照動力學(xué)優(yōu)化結(jié)果，重新建立舉升機構(gòu)的模型，并對其進(jìn)行仿真分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉桿的位置為豎直狀態(tài)時，舉升機構(gòu)的液壓缸的驅(qū)動載荷情況最為嚴(yán)峻。

2 舉升機構(gòu)的有限元強度分析

針對優(yōu)化后的舉升機構(gòu)，為設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)尺寸，本節(jié)對最嚴(yán)峻工況下的舉升機構(gòu)進(jìn)行強度校核，以驗證機構(gòu)的合理性。

2.1 建立有限元模型

1) 三維模型的簡化處理

結(jié)合動力學(xué)優(yōu)化后舉升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于Creo1.0軟件建立三維模型，并進(jìn)行簡化處理。具體方法是：對主要受力構(gòu)件的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整保留，對于其他部位的倒圓角和倒角可以選擇性的去除[5]。

2) 設(shè)置材料屬性及接觸類型

舉升機構(gòu)主體材料均為Q460鋼。其屈服強度為460MPa，密度為7 850 kg/m3，彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.28。

在設(shè)定結(jié)構(gòu)材料的機械屬性之后，需按照構(gòu)件間的實際約束類型設(shè)置連接方式。這是有限元分析的關(guān)鍵步驟之一，若不能按照實際工況設(shè)定相應(yīng)的接觸類型，將會直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。

ANSYS workbench提供的線性約束類型包括：綁定(Bonded)及不分離(No Separation)。對于綁定約束，接觸面或者接觸邊之間不存在切向的相對滑動和法向的相對分離。這是缺省的接觸類型，適用于所有的接觸區(qū)域。而No Separation與Bonded類似，接觸面或者接觸線之間不允許發(fā)生法向的相對分離，但是允許發(fā)生少量相對的切向無摩擦滑動。

為了更真實地模擬舉升機構(gòu)的實際工況，舉升機構(gòu)銷軸處的接觸類型均設(shè)為No Separation類型，液壓缸及液壓桿之間設(shè)為Bonded。

3) 網(wǎng)格劃分及邊界條件的添加

采用CFD網(wǎng)格劃分類型，通過對比多種不同網(wǎng)格劃分方法的優(yōu)缺點及適用范圍，對主動臂、料斗、機架、液壓缸以及液壓桿選用Automatic自動劃分法，其余構(gòu)件選用Sweep法劃分網(wǎng)格。舉升機構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分后，節(jié)點總數(shù)為77 700，單元總數(shù)為263 117。圖3為網(wǎng)格劃分之后的效果圖。

圖3 舉升機構(gòu)網(wǎng)格劃分

完成網(wǎng)格劃分后，根據(jù)設(shè)計要求對模型添加相應(yīng)的邊界條件及載荷。首先設(shè)置重力加速度Standard Earth Gravity。其次對舉升機構(gòu)模型添加外載荷-即滿載時的垃圾質(zhì)量，采用遠(yuǎn)程力(Remote Force)載荷類型，將其施加在舉升機構(gòu)料斗內(nèi)壁的4個表面上，大小設(shè)為10 000 N。將舉升機構(gòu)的機架固定件當(dāng)作邊界條件來進(jìn)行處理，均設(shè)置為固定約束(Fixed Support)[8]。

4) 主要構(gòu)件的截面幾何特征

移動分體式垃圾壓縮站舉升機構(gòu)的主要構(gòu)件包括：液壓缸、液壓桿、拉桿、主動臂以及鉸接處的銷軸。其中除主動臂三維模型內(nèi)部有凹槽外，其余構(gòu)件均為規(guī)則幾何體。液壓缸、液壓桿及銷軸的截面均為圓形截面，而拉桿的截面為矩形截面。主動臂的三維模型如圖4所示。

圖4 舉升機構(gòu)主動臂三維模型圖

2.2 有限元靜載荷分析

舉升機構(gòu)的有限元強度分析，選取舉升機構(gòu)運動初始時刻的構(gòu)型為有限元分析的工況1。工況1下，舉升機構(gòu)的垃圾料斗剛剛脫離地面，此時機構(gòu)的位置姿態(tài)如圖1中的實線構(gòu)型所示，料斗所受載荷-即滿載時的垃圾質(zhì)量為10 000 N，而液壓缸驅(qū)動載荷為0.837 6×105N。

將機構(gòu)驅(qū)動載荷最為嚴(yán)峻的時刻作為工況2。此時，舉升機構(gòu)的位置姿態(tài)如圖5所示，其液壓缸所承受的驅(qū)動載荷最大，最大值為0.978 7 ×105N。

圖5 工況2下舉升機構(gòu)的位置姿態(tài)

通過兩種不同工況下的對比分析可以保證分析結(jié)果的可靠性。

1) 工況1有限元分析結(jié)果

對于工況1，舉升機構(gòu)運動為初始時刻，料斗剛剛脫離地面。經(jīng)有限元求解分析，舉升機構(gòu)的全局變形量、全局應(yīng)力以及主要構(gòu)件的應(yīng)力圖如圖6-圖8所示。

圖6 舉升機構(gòu)在工況1下的全局變形量

圖7 舉升機構(gòu)在工況1下的全局應(yīng)力

圖8 舉升機構(gòu)在工況1下的液壓桿應(yīng)力

圖6給出了工況1下舉升機構(gòu)的全局變形量。最大變形量出現(xiàn)在垃圾料斗的邊緣上，其數(shù)值約為1.7 mm。由圖7可以看出，舉升機構(gòu)的應(yīng)力圖大部分區(qū)域呈深藍(lán)色，這就說明舉升機構(gòu)大部分結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力(von Mises)<10 MPa，均能滿足材料的許用強度。最大的von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在如圖8所示的液壓桿軸孔上，最大應(yīng)力值約為193.2 MPa，小于材料的屈服強度，可滿足強度要求。

2) 工況2有限元分析結(jié)果

對于工況2，拉桿處于豎直狀態(tài)，機構(gòu)液壓缸承載情況最為嚴(yán)峻。通過計算分析得到舉升機構(gòu)的全局變形量及應(yīng)力云圖分別如圖9-圖11所示。

圖9 舉升機構(gòu)在工況2下的全局變形量

圖10 舉升機構(gòu)在工況2下的全局應(yīng)力

圖11 工況2下拉桿與固定件銷軸應(yīng)力

圖9顯示，與工況1類似，工況2下舉升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)最大變形量同樣出現(xiàn)在料斗邊緣上，最大值約為7.1 mm。而由圖10與圖11可以得知，工況2下舉升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在拉桿與固定件連接的銷軸上，大部分區(qū)域的應(yīng)力值均<50 MPa，而最大應(yīng)力值約為212.7 MPa，依然小于材料的屈服強度，可滿足強度要求。

3 結(jié)語

本文首先針對移動分體式垃圾壓縮站舉升機構(gòu)，以其液壓缸驅(qū)動功率最大值的最小化為目標(biāo)函數(shù)，對機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后液壓缸驅(qū)動功率為1.638 7×103W，較之優(yōu)化前的1.787 9×103W降低了8.34%。在獲得優(yōu)化的機構(gòu)參數(shù)后，針對舉升機構(gòu)工況嚴(yán)峻的時刻，基于ANSYS有限元軟件對其結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行了模擬分析。

分析結(jié)果表明，在工況嚴(yán)峻的時刻，其結(jié)構(gòu)最大變形量約為7.1 mm，且最大應(yīng)力為212.7 MPa，小于材料的屈服強度，可見動力學(xué)優(yōu)化后的舉升機構(gòu)結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。研究結(jié)果可為該類垃圾壓縮站舉升機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供必要的理論依據(jù)。

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