基于有限元的压缩式垃圾车填装器仿真分析及优化

摘要：压缩式垃圾车填装器通过轴销连接悬挂在车厢后部，通过刮板的摆动、滑板的直线拉动、举升油缸的驱动等机构的协同运动，完成垃圾的收集和卸载。对极限工况下的填装器做了有限元分析，根据分析结果，优化了导轨结构，再对优化后的填装器结构进行有限元分析。通过云图对两个导轨方案的分析结果对比得出：优化改进后的导轨整体位移变化和所受最大应力减小，提高了填装器的整体强度，保证了填装器整体强度符合使用要求。

关键词：有限元分析；填装器；导轨；结构优化

中图分类号：U469  收稿日期：2024-03-27

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406017

1 前言

目前我国在收集垃圾时使用的车型主要是以下几种： 集装箱式垃圾车、摆臂式垃圾车、侧装式密封垃圾车、后装压缩式垃圾车。集装箱式垃圾车有着垃圾泄露等问题，不符合目前国家环保方面的相关法律规范，并且集装箱式垃圾车无法对垃圾进行压缩、装载效率低下增加了运输成本，该车型已经逐渐开始淘汰。摆臂式垃圾车和侧装式垃圾车同样也有类似问题，比如压缩性能差、装载垃圾的车厢体积小，在运输过程中可能会发生泄漏造成二次污染。

相比于上述几种类型的垃圾车，后装压缩式垃圾车有如下优势：a.装载垃圾的车厢容量大、自动化程度较高、垃圾能够被充分的压缩；b.后装压缩式垃圾车行驶过程中车厢处于密封状态，可以较好地避免以往垃圾车运输过程中垃圾被风吹散、二次污染环境等问题；c.运输机动性好，压缩式垃圾车可以作为一个移动垃圾站，去有垃圾的地方进行收集。因此，压缩式垃圾车的应用前景越来越好，市场占有量逐渐增加，成为目前城市里垃圾收集和转运的主要作业车辆[1]。

填装器是压缩式垃圾车的重要部件，它通过轴销连接悬挂在车厢后部，是用于填装压缩垃圾的工作装置，由料斗、后盖、刮板、滑板及配套油缸等机构组成。收集工作时通过刮板的摆动和滑板的直线拉动将垃圾压缩进箱体中，卸料时填装器通过举升油缸的驱动进行翻转。根据环卫工人的实际操作情况和设计人员的设计标准，填装器的设计可靠性会直接影响到压缩装置的使用寿命及正常工作的进行，因此必须对设计的填装器进行充分的计算与仿真。为了使填装器尽可能轻量化，同时又能保证设备生命周期内稳定可靠的运行，本文利用有限元分析的功能，对填装器进行了极限工况分析，得到了在此工况下优化前填装器的应力、位移和应变云图，以此来发现填装器结构存在的问题与缺陷，并且结合实际情况对其结构进行改进，使填装器符合设计的预期目标和要求，有效提升填装器设计的科学性和可靠性，缩短工厂研发周期，降低生产成本。

2 有限元模型的建立

对压缩式垃圾车填装器进行建模时，为了减小建模和有限元分析的工作量，避免小的结构划分网格时产生大量的有限元单元会造成整体网格质量的下降，从而影响结构的分析精度，我们对结构进行了简化处理，将结构中的小圆孔、倒角、螺栓孔等不会影响仿真结果的小结构去除[2]。简化后的模型如图1所示。

该装置上结构钢材料参数如表1所示。

通过对三维模型进行网格划分，可以将其离散化为由单元（Element）和节点（Node）组成的有限元模型。在这个过程中，网格划分与所定义的材料属性相结合，用以表示有限元模型中的刚度和质量分布情况。在进行网格划分时，需要控制单元的数量，以确保其在一定范围内，以满足求解的需求。这样做不仅能有效地将模型转化为可计算的有限元形式，还能保证计算结果的准确性和可靠性[3]。网格划分后模型如图2所示。

3 边界条件及载荷的施加

图3为某公司提供的填装器工作原理图。a.车辆处于起始位置，填装斗装满垃圾；b.当填装斗装满垃圾后，刮板随之打开，准备将其插入垃圾中进行下一步作业；c.压缩式垃圾车滑板带动刮板一起向下移动，将刮板插入垃圾中开始进行收集和初步压缩；d.压缩式垃圾车刮板进行回转运动，将垃圾进一步压缩；e.垃圾车刮板到位后随滑板向上移动，将垃圾装填到垃圾箱中并压实，然后回到起始位置。在这连续不断的装填过程中，车厢中的垃圾在挤压力的作用下进一步压缩，确保垃圾箱充满而不浪费空间。

当垃圾收集车抵达处理场或填埋场时，需要卸载垃圾。此时，举升油缸举起填装器，滑板向后移动，刮板打开，垃圾得以卸出。根据原理图以及市场反馈的实际使用情况选择刮板转动到最底部90°时为极限工况，即填装器工作进行到第4个步骤（图3），此时在车辆满载的情况下，填装器受到60 000 N的力，以此来施加载荷，分别在刮板和液压缸上施加力，具体载荷施加和约束固定如图4、图5所示[4-5]。对填装器施加固定约束和两个大小为60 000 N的力。

4 仿真计算结果分析

将简化后的填装器模型导入有限元分析软件中，施加边界条件及载荷，分析得到应力与应变云图。仿真结果中应力与应变较大的位置如图6～图9所示。

根据仿真结果发现，填装器上的左右导轨以及导轨上方螺栓位置应力较大。根据图6～图9所示的仿真结果，不考虑应力集中的情况下，发现导轨上的应力分布较明显，如图6、图7所示，填装器左右两侧导轨最大应力分别为174 MPa、169 MPa，最大应力位置均在滑块所在位置导轨上方。

同时，通过图8可以看出，导轨上侧位移也较大，为13 mm。压缩式垃圾车填装器在进行垃圾压缩装填工作时需要承受较大的压力，必须具有足够的强度和刚度才能正常完成工作[5]。

由填装器的应力与应变云图分析结果可知，填装器导轨在局部区域存在着应力过大的问题，可能会出现断裂、变形等问题，故而导轨是填装器各部件中的薄弱部件，需要对其结构进行优化改进，来增强导轨的刚度。通过实际调研，填装器产生问题的区域与计算结果基本符合。

5 优化方案设计与分析

根据导轨上应力较大的位置，对其进行优化设计，综合考虑结构可靠性原则与控制成本的原则，最终选定优化方案为在填装器两侧导轨应力较大的区域加上加强板[6-7]，如图10所示。

将优化之后的填装器模型导入有限元分析软件中，施加同样的固定约束与大小一致的载荷，继续对填装器进行有限元分析，填装器左右两侧导轨有限元仿真结果如图11～图13所示。

通过对优化后的填装器模型进行有限元仿真分析，不考虑应力集中的影响，左右两侧加了加强板的导轨高应力区均有所降低，左右导轨上方的应力分别为77 MPa、68 MPa，同时两侧导轨的位移也有所降低，两侧导轨最大位移为09 mm。较之优化前的填装器仿真分析结果，应力大小分别下降了97 MPa、101 MPa，位移下降了04 mm。由改进后填装器导轨的应力云图分析可知，改进后的填装器结构在理论上满足了强度要求[8]，能较好地适应工作需求。

6 结语

本文的研究目的是对压缩式垃圾车填装器进行有限元仿真，分析压缩式垃圾车填装器易发生损坏的位置，并对影响压缩式垃圾车填装器工作的关键位置进行优化，增大填装器的使用寿命，提高填装器结构的可靠性。通过仿真分析表明，填装器导轨是其薄弱部位，对导轨进行优化，优化后的填装器导轨强度获得了提升，稳定性大大提高。

参考文献：

[1]史柏承后装式垃圾车压缩机构的有限元分析及优化设计[D]长沙：湖南大学，2014

[2]匙皓，杨林，唐晓晓装配体有限元分析方法研究[J]机械研究与应用，2017，30（2）：78-79+82

[3]黄志新ANSYS Workbench 160超级学习手册[M]北京：人民邮电出版社，2016

[4]杨乐压缩式垃圾车填装器的CAE分析及结构优化[D]天津：河北工业大学，2014

[5]蒲明辉，李凯，殴洪彪，等基于ADAMS与ANSYS的后装垃圾车压缩刮板的研究[J]机械设计与制造，2011（2）：101-103

[6]刘涛基于Workbench的煤矿机电载人导轨的结构优化[J]自动化应用，2019（9）：117-118+133

[7]李宗泽，王显洲，刘鑫鑫，等后装压缩式垃圾车填装器结构分析及改进[J]工程机械，2022，53（6）：54-59+10

[8]刘鸿文材料力学[M]北京：高等教育出版社，2017

作者简介：

蔡卿，男，1987年生，工程师，研究方向为环卫设备、农业机械。