基于ABAQUS压缩式垃圾车提升机构强度与疲劳分析

罗煜林

摘要：为研究压缩式垃圾车提升机构的可靠性，文中通过研制一种压缩式垃圾车提升机构的质量检验平台，利用SolidWorks三维软件对压缩式垃圾车的提升机构及质量检验平台进行建模，对主要受力部件进行受力分析，再对其使用ABAQUS分析软件结合标准要求的试验次数进行运动仿真和疲劳分析，找出提升机构的薄弱部位，为后续提升机构在质量检验平台的可靠性试验提供对比分析验证，也为企业在专用装置的可靠性分析提供一种方法，并为后续提升机构连接构件的结构优化提供依据。

关键词：压缩式垃圾车；提升机构；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

提升機构作为压缩式垃圾车的重要组成部分，主要实现垃圾桶的翻转功能，并将垃圾桶中的垃圾倒入压缩式垃圾车的填料机构，利用刮板将垃圾带入压缩机构进行压缩过程。在此过程中，提升机构的作用显得尤为重要，不仅需满足配合精度、强度，对安装高度与翻转角度也有很高的要求，以便垃圾桶能在设定位置将全部垃圾倾倒而出。

文中根据CJ/T 127-2016压缩式垃圾车对提升机构可靠性的要求，需进行12000次的翻转次数，平均无故障时间大于等于5000次，可靠度大于80%，可靠性才符合要求[1]。根据调研，目前市场上缺乏压缩式垃圾车提升机构的检测方法与手段，为实现标准的可靠性研究，文中对研制的质量检验平台与提升机构进行建模，对主要零部件进行受力分析，再进行运动仿真与疲劳分析，实现可靠性的理论分析，后期再利用研制的质量检验平台，对提升机构进行可靠性循环试验。实现提升机构的可靠性检验。

1提升机构主要零部件静力分析

提升机构主要由垃圾桶翻转支架、辅助连接臂、支撑连接臂、固定支座、油缸组成。其工作原理如下：固定支座焊在质量检验平台两侧，油缸、支撑连接臂及辅助连接臂与其连接，支撑连接臂与辅助连接臂的另一端与垃圾桶翻转支架相连，由油缸驱动支撑连接臂转动，带动垃圾桶翻转支架转动，翻转支架上设有挂钩，带动垃圾桶随翻转支架翻转，当达到一定角度时，垃圾桶自动将垃圾倾倒进填料机构。具体结构如图1所示。

根据分析，提升机构在正常工作时，由油缸伸出带动支撑连接臂转动，再带动翻转支架与垃圾桶翻转。其主要受力零件为支撑连接臂，支撑连接臂主要受到垃圾重量与油缸驱动的力矩，随着翻转支架的转动，垃圾桶重量与支撑连接臂的角度也不断缩小，支撑连接杆所受到的力也增大，当垃圾桶与地面水平时，此时垃圾处于临界倾倒状态，支撑臂与重力方向的角度为50°。垃圾桶容积为240L，一个翻转支架一般带两个垃圾桶，因翻转支架对称受力，则单个支撑臂支架的受力大小为1个垃圾桶的承载重量以及翻转支架重量，以垃圾桶满载时的质量进行分析，取密度为水的密度，则此时支撑连接臂收到的力如图2、式（1）～（4）所示。

对O1点的力矩：

对O2点的力矩：

MO1X——重力在x方向上对支撑连接臂的力对O1点的力矩；

MO1y——重力在y方向上对支撑连接臂的力对O1点的力矩；

MO2X——重力在x方向上对支撑连接臂的力对O2点的力矩；

MO2y——重力在y方向上对支撑连接臂的力对O2点的力矩；

Fx——重力在x方向上对支撑连接臂的力；

Fy——重力在y方向上对支撑连接臂的力；

α——重力方向与支撑连接臂之间的夹角；

G1——垃圾桶重力，240kg；

G2——翻转支架重力，50kg；

L1——Fx对O1点的力臂的力，352mm；

L2——Fy对O1点的力臂的力，32mm；

L3——Fy对O2点的力臂的力，500mm。

当垃圾桶与地面垂直时，支撑连接臂与重力方向夹角α=78°，当垃圾桶处于垃圾临界倒出状态时，支撑连接臂与重力方向夹角α=66°，重力在x方向对支撑连接臂的影响较小，只考虑重力在y方向上对支撑连接臂的影响，故当支撑连接臂与重力方向夹角α=78°时，此时支撑连接臂受到的力矩最大，A点到O2点的距离最大，计算得MO2y=1418.31N·m。因支撑连接臂同时受到力与力矩的作用，则其受到的应力为：

式中：

——支撑连接臂受到的最大应力；

——支撑连接臂横截面积；

——抗弯截面系数；

——支撑连接臂许用应力。

支撑连接臂截面为矩形，其截面宽度h=230mm，板厚b=10mm，则其抗弯截面系数为：

代入式（5）得：

Q235材料的最大许用应力为235MPa，故该提升机构的强度满足要求。

2提升机构强度分析

利用solidworks對质量检验平台和提升机构进行建模，将模型转成step格式，并导入ABAQUS软件进行运动仿真和强度分析，对整个系统进行网格划分，单元库设置standard，几何阶次设置线性，选择8节点六面体线性减缩积分单元C3D8R。与完全积分单元相比，线性减缩积分单元仅在单元中心包含一个积分点，而二次减缩积分单元的积分点数量与线性完全积分单元的相同。它可以在弯曲荷载下不易发生剪切自锁现象，并对位移的求解结果比较精确，在网格存在扭曲变形时，分析的精度不会受到太大的影响[2]。因提升机构为对称结构，为减少分析工作量，取其中一半进行分析，网格划分结果如图3所示。然后定义质量检验平台和提升机构的材料属性，因所用材料为Q235，设置其杨氏模量为210Gpa，泊松比0.3。接着定义分析步，设置分析类型为动力，隐式，时间长度为4s，初始增量步0.1，最小增量步1e-8。

再对分析对象相互作用，设置主要接触方式为面与面接触，主要为垃圾桶与整机的面面接触，摩擦系数设置为0.2，法向刚度设置为硬接触。还需设置边界条件，对质量检验平台底部约束支撑和对称约束设置，结果如图4、图5所示。最后设置载荷，根据前面分析结果，分析对象主要承受垃圾桶的承载质量与翻转支架的重量，因只取一半进行分析，其所受到的质量为290kg，从垃圾桶处于水平放置状态到垃圾完全倾倒而出的过程，液压油缸需伸出31mm，故设置液压缸的相对位移为31mm，以及重力加速度为10000。提交作业，分析结果。

根据分析结果，对质量检验平台系统进行单个循环运动动画，满足渲染结果为应力结果，单位MPa，其运动仿真结果满足要求，通过单个循环应力分布可知，质量检验平台与提升机构的强度满足设计要求，应力主要集中于支撑连接臂与油缸铰链连接处和支撑连接臂与固定支座铰链处之间。从整个系统的应力分布情况，单个循环最大应力为141.4MPa，渲染为红色区域，如图6、图7所示。Q235材料的最大许用应力为235MPa，故该提升机构的强度满足要求。

3提升机构疲劳分析

为实现对提升机构的可靠性分析，还需利用ABAQUS结合Fe-safe的方法对提升机构进行疲劳仿真分析，Fe-safe是对疲劳耐久性分析和处理信号的一款较为先进的仿真分析软件，它是多轴疲劳分析解决方案的领导者，算法先进，功能全面细致，是世界公认精度较高的疲劳分析软件。ABAQUS结合Fesafe计算疲劳强度操作过程如图8所示。

将ABAQUS分析得到的模型计算结果导入fe-safe作为输入模型，建立载荷的时间历程、材料及其对应的S-N曲线，并定义表面粗糙度、算法等相关参数。计算后得到提升机构质量检验平台系统的循环周次，输出疲劳寿命，通过其他后处理软件读取相应的可视化结果[3]。根据疲劳寿命分析结果，提升机构质量检验平台系统最小寿命部件为支撑连接臂，疲劳寿命达22074，满足CJT127-2016要求的12000次的要求，结果如图9、图10所示。

4结语

文中对支撑连接臂进行理论计算分析，其最大应力为140.26MPa，再利用ABAQUS软件进行仿真分析，得出最大应力处也在支撑连接臂，为141.4MPa，相互验证了计算结果的准确性。其强度小于应力，符合要求。

然后，再将ABAQUS的计算结果导入fe-safe软件进行疲劳分析，其疲劳寿命薄弱点也在支撑连接臂，在标准允许的范围内。

根据分析结果，支撑连接臂与油缸和固定支座铰接处之间最为薄弱。后期企业可参照分析结果加强此处的强度，如加大厚度，优化结构以减少应力集中，从而延长提升机构的使用寿命。

最后，可靠性的试验结果不仅取决于结构强度和疲劳强度，还与控制系统运行的稳定性，液压系统、工作环境等有关系，后期还需结合质量检验平台对提升机构进行现场试验，还可以将提升机构与质量检验平台置于环境仓真实模拟其工作环境，记录其平均无故障工作次数，再根据试验次数，计算提升机构的可靠度。

参考文献

[1]住房和城乡建设部市容环境卫生标准化技术委员会.压缩式垃圾车：CJ/T 127-2016[S].北京：中国标准出版社，2017：2.

[2]李志强，黄烈阳.基于ABAQUS的新型SIPs墙体数值模拟[J].河北建筑工程学院学报，2021，39（1）：7.

[3]韦红钱，倪培源，端传捷.基于Fe-safe软件的转叶式舵机疲劳分析及优化建议[J].现代制造技术与装备，2021，057（007）：82-85.