一款洗扫车箱体结构的优化设计分析

摘要：洗扫车箱体作为车身上装的重要结构，需要具备耐用的高可靠性。但在实际使用过程中经常出现水箱泄露，造成车辆作业里程缩短，地面二次污染等问题。据此，通过对洗扫车优化后的箱体水箱流固耦合及箱体焊合强度校核分析，提出优化改善建议。

关键词：洗扫车；水箱；泄露；防波板；流固耦合

中图分类号：U462 收稿日期：2024-07-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.016

1 前言

洗扫车为使用频率最高、平均作业时间最长的环卫车辆之一，客户对其性能参数、结构可靠性等都有较高的要求。洗扫车水箱为车身上装的重要部件，需要具备有高度的耐用性，但在长期的实际使用过程中经常出现泄露等问题，不仅造成车辆作业里程缩短，而且使地面产生二次污染等问题，严重影响了洗扫车的使用。

2 箱体漏水问题现状

洗扫车一般通过隔板等结构将箱体分为垃圾箱和水箱两部分，水箱位于下方，垃圾箱位于上方。水箱内部设置防波板（图1），起到支撑和承受冲击的作用。因防波板与箱体底板直接焊接，在实际使用过程中，箱体经常出现焊接点部位漏水的现象，而整体采用不锈钢焊接的箱体则在出现漏水时维修比一般的材料更加困难[1]。

合理的防波板结构和数量能够减少液体对箱体的冲击，增强箱体的强度[2]。现对箱体结构进行优化设计，优化后的箱体结构如图2所示。优化后的箱体对防波板结构进行了重新设计，在防波板上设计折弯以增加强度，增加防波板的面积，同时对防波板与底板的连接方式也进行了调整，设计几字形支撑座结构（图3），增加缓冲，降低防波板受力后拉扯底板造成的底板泄露风险。

3 箱体校核分析

箱体采用壳单元描述，单元尺寸10 mm；箱体各部件之间焊缝采用共节点方式连接，底框焊合及顶部框架焊接采用rbe2连接。整个水域各部件全部共节点，保证水域空间是封闭的，不允许遗漏焊缝面。

通过流体分析获取整个水域的压强载荷，映射到箱体模型上进行加载[3]，箱体上面的垃圾区域抓取rbe3单元，垃圾（4 t）通过集中力方式加在rbe3中心处，模型如图4所示。根据洗扫车的实际作业场景，选取冲击工况、加速工况、制动工况、转弯工况四种工况进行分析，如表1所示。

3.1 流场分析

本文采用的分析技术路线是首先进行流体分析获取水域压强载荷，然后将获取的压强载荷映射到箱体有限元模型，在箱体有限元模型中施加约束及载荷，最后进行静力学分析。对高水位下的流场进行分析，结果如图5～图8所示。

3.2 强度刚度分析

对箱体的强度、刚度进行分析[4]，得到四种工况下的最大应力和最大位移。各分析工况下，最大应力出现在制动工况，最大应力463.6 MPa，最大位移8.706 mm；制动时水瞬间向前冲击，对箱体前侧板造成较大压力，因此箱体前侧板与后板焊接处应力较大，分析应力图如图9所示。

3.3 模态分析

因箱体与风机风口通过橡胶垫连接，风机的振动对箱体的性能产生一定影响，同时因风机由发动机带动，因此发动机的振动也会对箱体的性能产生一定影响[5]。通过模态分析可以了解箱体在特定频率范围内的振动特性，为结构的安全性和可靠性评估提供依据[6]。

模态分析中的一阶到六阶模态代表了结构在不同固有频率下的振动特性，从一阶到六阶逐渐深入揭示了结构的整体和局部振动行为，通过模态分析中的前六阶模态可以评估结构的稳定性和安全性，并进行有效的结构设计和优化。根据模态分析结果可以看出，侧板顶部在第二阶23.6 Hz和四阶32.5 Hz固有频率处振动时振动幅度较大，水箱防波板连接位置在第五阶固有频率处振动时振动幅度较大，如图10所示。

3.4 基于频响的振动分析

X方向激励时，在24 Hz下，防波板频响应力出现峰值。频响应力较大区域为结构危险区域，如图11所示。Y方向激励时，在12 Hz下，箱体侧板频响应力出现峰值。频响应力较大区域为结构危险区域，如图12所示。Z方向激励时，在12 Hz下，箱体侧板频响应力出现峰值。频响应力较大区域为结构危险区域，如图13所示。从分析结果可知，危险频率主要出现在12 Hz（纵向与垂向）与24 Hz（横向）上，12 Hz容易与路面激励耦合，24 Hz容易与怠速下发动机点火频率耦合。同时，在振动工况下，危险点多出现在防波板、底板与纵梁的交叉焊接位置，这些位置需要在纵梁焊接时避开交叉位置的焊接。

4 结语

本文分析了洗扫车箱体在各工况基于流体作用与垃圾重量耦合作用的强度与刚度，制动工况下最大应力超出了材料的屈服强度，需要进行改进；同时对箱体的模态频率和模态振型等进行了校核分析，指出其薄弱点，整车共振振动频率需要避开12 Hz和24 Hz。以上工作为后续的优化设计提供了借鉴思路。

参考文献：

[1]贺健.常压不锈钢储罐整体焊接维修技术[J].设备管理与维修，2023（10）：64-65.

[2]栗健，谭粤，郭世民，等.防波板对液氢罐式集装箱罐体结构强度的影响[J].压力容器，2024，41（5）：58-66+79.

[3]王云鹏，张晓光，王晓鹏.液罐车内防波板在不同充液率下的有限元分析[J].专用汽车，2022（10）：33-37.

[4]王龙益.客车水箱双向流固耦合动力学分析与结构优化[D].兰州：兰州交通大学，2020.

[5]包文红，张应龙，班涛，等.液罐车内液体晃动对防波板的冲击仿真[J].油气储运，2022，41（9）：1087-1094.

[6]李潇潇.动车水箱焊缝随机振动疲劳寿命仿真研究[D].济南：山东大学，2018.

作者简介：

王宁，男，1987年生，工程师，研究方向为专用车的研发设计。