摘要：刮鏟作為壓縮機(jī)構(gòu)的核心零部件，直接關(guān)系到后裝壓縮垃圾車的壓縮效率和壓實(shí)率。針對現(xiàn)有的刮鏟存在結(jié)構(gòu)笨重、制造成本大、動靜態(tài)性能差等問題，以FLM5180ZYSDF6型后裝壓縮車的刮鏟為研究對象，首先運(yùn)用ANSYS Workbench對其進(jìn)行動靜態(tài)性能分析，尋求其薄弱環(huán)節(jié)，接著運(yùn)用靈敏度分析的方法對刮鏟的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行多目標(biāo)尺寸優(yōu)化。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的刮鏟重量減輕了92%，前2階模態(tài)頻率得到一定提升，最大應(yīng)力和最大變形雖有所增加，但在刮鏟強(qiáng)度和剛度要求范圍內(nèi)，達(dá)到了刮鏟優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：壓縮車；刮鏟；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元

中圖分類號：TH122 收稿日期：2024-03-15

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408010

1 前言

隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和人們生活水平的日益提高，垃圾處理面臨前所未有的挑戰(zhàn)。后裝壓縮車綜合了垃圾自動上料、快速壓實(shí)、高效轉(zhuǎn)運(yùn)等多種功能，同時又兼具壓實(shí)率高、裝載量大、密閉性好等特點(diǎn)，因此在垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備中的應(yīng)用最為廣泛[1]。刮鏟作為壓縮機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，直接對填料斗內(nèi)的垃圾進(jìn)行壓縮，其性能的好壞直接影響到后裝壓縮車的壓縮效率和壓實(shí)率。

如何提升刮鏟性能，同時降低制造成本、縮短研發(fā)周期一直是眾多企業(yè)追求的方向。本文以某品牌的FLM5180ZYSDF6型壓縮車刮鏟為研究對象，結(jié)合刮鏟的作業(yè)特點(diǎn)和目前存在的缺陷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對提升后裝壓縮車的整車性能、降低制造成本以及縮短研發(fā)周期具有重要意義[2]。

2 刮鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

21 刮鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮鏟為焊接件，結(jié)構(gòu)上主要由底板、面板、左右支撐座、橫梁以及加強(qiáng)筋所組成。在對垃圾進(jìn)行壓縮的過程中，刮鏟的底板直接與垃圾進(jìn)行接觸。由于垃圾的成分極為復(fù)雜，且垃圾中含有大量的腐蝕物質(zhì)，因此設(shè)計(jì)的刮鏟需具備較好的強(qiáng)度、剛度以及耐腐蝕性[3]?；诂F(xiàn)有刮鏟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的刮鏟材質(zhì)采用Q345B高錳鋼，利用Inventor對刮鏟進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，如圖1所示。

22 刮鏟工作原理

后裝壓縮車的壓縮機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由刮鏟、滑板、驅(qū)動油缸以及銷軸組成。刮鏟支座的孔1利用銷軸與驅(qū)動油缸進(jìn)行連接。刮鏟支座的孔2利用銷軸與滑板進(jìn)行連接。初始狀態(tài)下，油缸收回，刮鏟翹起，等待對填料器斗內(nèi)垃圾進(jìn)行壓縮，作業(yè)時，油缸伸出，促使刮鏟繞孔2往下旋轉(zhuǎn)，首先對斗內(nèi)垃圾的首次壓縮和破碎，油缸伸出到位后，滑板將沿著填料斗內(nèi)的導(dǎo)軌上滑，拖動刮鏟內(nèi)的垃圾壓入箱體進(jìn)行二次壓縮，經(jīng)多次循環(huán)，填料斗中的內(nèi)垃圾不斷往箱體內(nèi)壓縮。

3 構(gòu)建刮鏟有限元模型

31 刮鏟受力分析

結(jié)合壓縮機(jī)構(gòu)的工作原理，當(dāng)裝料斗內(nèi)裝滿垃圾，滑板下行到位，由刮鏟首次對斗內(nèi)垃圾進(jìn)行壓縮時，刮鏟的工況最為惡劣，受力最大，此時刮鏟受到的外界載荷主要有壓縮力F、油缸驅(qū)動力F1、鉸點(diǎn)力F2，為便于分析，將鉸點(diǎn)力F2按水平和豎直方向分解，受力分析如圖3所示，在該狀態(tài)下，簡圖中的長度和角度參數(shù)可從CAD中進(jìn)行測量，即L=435 mm，L12=221 mm，α=29°，α1=51°，根據(jù)彎矩平衡與力平衡原理[4]，可得：

[MO2=F1L12-FLF2x=F1cosα1+FcosαF2y=F1cosα1+Fsinα] （1）

把參數(shù)代入上述方程式，可求解出：F1=70 817 N；F2x=66 194 N；F2y=63 425 N。

32 刮鏟的網(wǎng)格劃分

將已建立的刮鏟三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，因刮鏟是由眾多折彎件拼焊在一起的，形狀較不規(guī)則，且含有眾多細(xì)小的倒角、倒圓，因此采用Tetrahedrons四面體網(wǎng)格來劃分，單元大小設(shè)定為5 mm，為避免劃網(wǎng)格分過程中產(chǎn)生畸變，將細(xì)小的倒角、倒圓去除[5]，經(jīng)軟件自動劃分，生成有限元網(wǎng)格模型（圖4）。

4 刮鏟的有限元分析

41 刮鏟靜態(tài)分析

刮鏟的有限元靜態(tài)分析是指其在靜載荷作用下的應(yīng)力、位移等分布情況，通過對刮鏟進(jìn)行靜態(tài)分析可直觀地看出刮鏟結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)和高應(yīng)力區(qū)域，從而指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。基于對刮鏟的受力分析，將刮鏟受到的載荷加載到有限元模型中，通過仿真計(jì)算，刮鏟在極限工況下的應(yīng)力、位移云圖如圖5所示。

從分析結(jié)果知，刮鏟在極限工況下的最大應(yīng)力為17269 MPa，小于Q345B高錳鋼的許用應(yīng)力345 MPa，最大位移為1055 8 mm，整體變形很小，說明刮鏟的強(qiáng)度和剛度性能良好，存在較大的優(yōu)化減重空間。

42 刮鏟模態(tài)分析

利用刮鏟的模態(tài)主要是分析其結(jié)構(gòu)的振動模式、固有頻率和相應(yīng)的振型，借助模態(tài)分析可評估刮鏟結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，進(jìn)而為刮鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供思路[7]。相比于高階模態(tài)，刮鏟的低階模態(tài)更具有實(shí)際的應(yīng)用價值，經(jīng)求解，刮鏟的前兩階模態(tài)如圖6所示。

刮鏟在壓縮垃圾的過程中，壓縮機(jī)構(gòu)的加大油門轉(zhuǎn)速是1 600 r/min，該轉(zhuǎn)速下的激振頻率為266 Hz，而刮鏟的模態(tài)分析可知，刮鏟一階模態(tài)頻率就已達(dá)10337 Hz，遠(yuǎn)大于激振頻率。故刮鏟具有良好的穩(wěn)定性，存在較大的減重空間。

5 刮鏟的輕量化設(shè)計(jì)

刮鏟的靜態(tài)分析和模態(tài)分析均顯示刮鏟的結(jié)構(gòu)具有較大減重空間，靈敏度分析是輕量化設(shè)計(jì)的重要手段[8]，它可直觀地看出刮鏟關(guān)鍵尺寸對質(zhì)量、位移以及模態(tài)參數(shù)的影響，進(jìn)而對關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化取值。

51 靈敏度分析

刮鏟內(nèi)部含有橫向加強(qiáng)筋、外側(cè)底板上含有縱向加強(qiáng)筋，根據(jù)刮鏟的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置如圖7所示的4個關(guān)鍵尺寸作為優(yōu)化變量，其中，P1是面板壁厚，P2是底板強(qiáng)筋厚度，P3為支座壁厚，P4是底板壁厚，各變量的初值和設(shè)定變化范圍如表1所示。

在ANSYS Workbench中按表1的變量和變化范圍進(jìn)行設(shè)置，并把刮鏟的質(zhì)量、應(yīng)力和模態(tài)頻率作為輸出函數(shù)，經(jīng)求解，刮鏟的靈敏度如圖8所示。

從刮鏟優(yōu)化變量的靈敏度分析可知：變量P1、P2、P4對質(zhì)量、應(yīng)力及模態(tài)參數(shù)的影響較大，減重優(yōu)化時可重點(diǎn)對這三個關(guān)鍵尺寸進(jìn)行尺寸優(yōu)化；P3雖然對質(zhì)量的影響較小，但對刮鏟的模態(tài)頻率和應(yīng)力具有一定影響，優(yōu)化時保留P3優(yōu)化變量。

52 優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是確保刮鏟性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理減重，從而降低刮鏟的制造成本，基于對優(yōu)化變量的靈敏度分析結(jié)果，將刮鏟的質(zhì)量、應(yīng)力、模態(tài)參數(shù)作為多目標(biāo)輸出函數(shù)[9]，在ANSYS Workbench中，設(shè)置質(zhì)量優(yōu)先級為“High”、應(yīng)力優(yōu)先級為“Default”、模態(tài)優(yōu)先級為“Lower”。經(jīng)求解，軟件自動篩選出最優(yōu)解，結(jié)果見表2。

根據(jù)對關(guān)鍵尺寸的優(yōu)化結(jié)果，利用Inventor重構(gòu)刮鏟優(yōu)化后的參數(shù)化模型，并再次使用ANSYS Workbench對刮鏟進(jìn)行有限元分析[10]，優(yōu)化后刮鏟的應(yīng)力云圖、一階模態(tài)振型云圖見圖9，刮鏟優(yōu)化前后的對比分析如表3所示。

從表3可直觀地看出，優(yōu)化后的刮鏟重量降低了16 kg，模態(tài)頻率得到一定的提升，最大應(yīng)力和變形雖有所增加，但增加量很小，在刮鏟強(qiáng)度和剛度要求的范圍內(nèi)，總體來說，刮鏟的減重效果明顯，性能也得到了保證，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

刮鏟材質(zhì)是Q345B，板材價格約65元/kg，故每臺垃圾壓縮車可降本16 kg×65元/kg=104元，按年產(chǎn)1 000臺估算，公司每年可降本104萬元。

6 結(jié)語

刮鏟是壓縮機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件，關(guān)系到后裝壓縮垃圾車的壓縮性能和可靠性，現(xiàn)有的刮鏟設(shè)計(jì)大多采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，存在一定的過設(shè)計(jì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)笨重、制造成本大。刮鏟通常由眾多板件和折彎件利用二保焊焊接而成，制作過程中所需的焊接工裝、激光切割機(jī)和折彎機(jī)數(shù)量也較多，即投入的設(shè)備成本大，因此其制作工藝相對穩(wěn)定。在這種背景下，利用輕量化設(shè)計(jì)來降低刮鏟的制造成本成為一種有效途徑。本文以某品牌的FLM5180ZYSDF6型壓縮車刮鏟為典型，運(yùn)用有限元法對刮鏟進(jìn)行動靜態(tài)分析，尋找薄弱環(huán)節(jié)和減重空間，然后基于靈敏度分析法對刮鏟進(jìn)行多目標(biāo)尺寸優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了在確保刮鏟性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化減重，減重效果較為明顯，每年可為公司降本約104萬元。

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作者簡介：

李克當(dāng)，男，1984年生，講師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)衛(wèi)設(shè)備數(shù)字化。