連體垃圾壓縮箱進料系統設計方案的分析

1、連體垃圾壓縮箱進料系統設計方案的分析張存明（深圳東風汽車有限公司 廣東深圳 518109）摘要：產品設計初步方案確定后，對方案進行運動分析和強度分析，以驗證方案的合理性，提高設計的準確率。關鍵詞： solidworks 運動分析 受力計算 強度分析1 前言連體垃圾壓縮箱（簡稱連體箱）是一種收集、壓縮及轉運垃圾的新型環(huán)衛(wèi)設備，其進料系統的性能影響該設備的使用效果和壽命，需在設計初期對其進行分析，以確保設備的正常使用。本文以作者主持開發(fā)的連體箱的進料系統為例，著重介紹設計初期，初步方案確定后，利用solidworks（機械設計三維軟件）進行機構運動分析，并對重要零部件進行強度校核，從理論上驗證方案

2、的合理性，減少設計成本，縮短產品驗證周期，提高設計的準確率。 2 進料系統的結構與工作原理連體箱進料系統主要由進料斗、翻轉臂、拉桿、銷軸、液壓系統等部件組成（圖1）。進料斗是垃圾轉載裝置，并可繞箱體前部固定點（a點）旋轉,翻轉臂一端固定在箱體上，一端通過拉桿與進料斗鏈接，并帶動進料斗旋轉，各部分的鏈接均使用銷軸鏈接，液壓系統為機構的動力源，為機構運動提供運動動力。圖1 進料系統組成圖該系統屬于四連桿機構,利用連桿機構運動原理實現進料斗傾翻功能,進而實現垃圾的裝載。進行裝載時,垃圾收集車將運輸來的垃圾傾倒在進料斗內，啟動操作開關,油缸伸長,推動翻轉臂順時針旋轉,從而通過拉桿帶動進料斗向上旋轉,將

3、垃圾傾倒在箱體投料口內(圖1),完畢后，油缸回收,使進料斗恢復原位,進行下一次裝載工作。 3 設計方案分析3.1確定初步方案圖2 solidworks簡易模型依據產品工作要求和公司現有產品狀態(tài)，確定初步方案：進料斗參照壓縮式垃圾車eq5070zyss3翻轉斗進行設計,裝載垃圾時,進料斗水平放置在地面上,裝載到位時底板與地面平行，即進料斗底板翻轉180度。拉桿材料初選為方通, 裝載到位時呈水平狀態(tài)。翻轉臂采用鋼板焊接而成。依據箱體的結構形式,初步確定垃圾斗、翻轉臂在箱體上的固定點（點a、b），將進料斗簡化為桿件，并利用solidworks（機械設計軟件）建立機構簡易模型（圖2）3.2機構運動分析

4、3.2.1機構運動的確定機構的自由度計算公式為：f3n2plph在機構中，進料斗、拉桿、翻轉臂是活動構件，則n3，連桿采用銷軸鏈接，運動副為低副，則pl=4,機構沒有高副，則ph0，故該機構的自由度： f3n2plph33241在機構簡易模型，翻轉臂受油缸作用，帶動機構運動，機構的原動件數目為：n=1根據機械原理，機構具有確定運動的條件為：機構原動件的數目等于原動件的數目。該機構的自由度等于原動件的數目（f=n）,故該機構運動是確定的，即翻轉臂可以旋轉。3.2.2確定機構運動死點 四連桿機構運動時，往往會存在有死點的現象，有時只有一個，但多數有兩個死點（即上死點和下死點），機構到達死點時，會使

5、整個機構損壞，使機構不能連續(xù)運動，在產品設計時，需避免死點出現在所需的運動角度范圍之內。在該機構模型中，翻轉臂受油缸作用，帶動機構旋轉運動，翻轉臂為機構的原動件，以翻轉臂與水平線的翻轉角度（如圖3所示）作為研究對象，根據垃圾斗裝載的兩個極限位置，利用cad軟件做圖，可得到翻轉臂的翻轉角度范圍為（-0.4-88）。 圖3 翻轉角度的下限和上限 使用solidwords軟件的“方程式”命令，選擇以翻轉臂的翻轉角度為驅動尺寸，通過增加“關系”約束，利用“重生成”命令，使翻轉角度連續(xù)增大或減小，來模擬機構運動情況。若翻轉角度變化為某一值時，機構模型斷裂，即不能生成模型，則此時的翻轉角度的值即為死點時的

6、翻轉角度。以=-0.4為初始值，給出關系式“=+1”,即翻轉角度每次增加1度，使機構的翻轉臂每次重生成時順時針旋轉一度，按此旋轉模擬時，在=112時，機構模型出現斷裂現象，即112為上死點的角度（圖4）。同理，給出關系式“=-1”，可得到下死點的角度（-49）。 圖4 下、上死點的翻轉角度上死點的翻轉角度（112）大于88，而下死點的翻轉角度（-49）小于-0.4，即上、下死點的翻轉角度不在該機構的運動翻轉角度之內，故機構能夠在使用要求下正常運動。在此基礎上進行詳細設計，并建立機構的solidworks三維模型。3.3機構的受力計算和強度分析機構在運動過程中，其各個構件會受到各種力的作用，在這

7、些力的作用下，機構的運動性能會受到影響，需對機構的受力情況進行分析。本機構由于運轉速度低，慣性力的影響不大，故對機構只進行靜力分析。3.3.1各構件的受力計算本機構的受力如圖5所示。在solidworks三維模型中，選擇以翻轉臂的翻轉角度為驅動尺寸，來模擬機構運動情況。此機構，進料斗由兩個機構帶動，以便裝載垃圾。在本文中，假設兩個機構平均承載重力g。以圖5所示的裝載狀態(tài)為例，即當=20時，來計算機構各個構件的受力。已知進料斗和垃圾的重力g=13kn。由于重力g為已知條件，故先從進料斗開始受力計算。 圖5 機構的受力圖參數說明:g：進料斗和垃圾的重力 f1：拉桿在c點對進料斗的作用力f2：拉桿在

8、d點對翻轉臂的作用力 f3：箱體在a點對進料斗的作用力 f4：油缸對翻轉臂的作用力 f5：箱體在b點對翻轉臂的作用力進料斗受力計算：圖6為進料斗的受力圖。進料斗受三個作用力：g，f1，f3。作用力g的作用點為垃圾斗和垃圾重力的作用點（中心位置可在solidworks直接查詢，此處不再詳述），方向為豎直向下。作用力f1作用點為a點，由于拉桿為二力桿，故方向沿點c和點d的連線。作用力f3作用點為a點，依據理論力學中三力平衡匯交定理，f3方向通過g和f1的交點j1。 圖6 進料斗的受力圖 l1：作用力g對點a的力臂 l2：作用力f1對點a的力臂 l3：作用力g對點c的力臂 l4：作用力f3對點c的力

9、臂 將solidworks三維模型轉化成solidworks工程圖，可在工程圖圖中直接測量力臂l1、l2、l3、l4，測量值如圖6所示。以點a為轉動中心，依據力矩平衡原理，則g/2xl1=f1xl2同理，以點c為轉動中心，依據力矩平衡原理，則 g/2xl3=f3xl4可得 f1= g/2xl1/l2=13.9kn f3= g/2xl3/l4=7.9kn 拉桿受力計算： 拉桿受2個作用力：進料斗的作用力和翻轉臂的作用力，作用點分別為c點和d點。這兩個力分別為f1和f2的反向作用力，依據二力平衡公理，這兩個力：方向沿兩力作用點的連線，且等值、反向。故得f2=f1= 13.9kn 翻轉臂受力計算：圖

10、7為翻轉臂的受力圖。翻轉臂受三個作用力：f2，f4，f5。作用力f2的作用點為a點，方向沿點c和點d的連線。作用力f4作用點為翻轉臂的油缸固定座(點e)，方向沿油缸運動方向。作用力f5作用點為b點，依據理論力學中三力平衡匯交定理，f3方向通過f2和f4的交點j2。 l5：作用力f2對點b的力臂 圖7 翻轉臂的受力圖 l6：作用力f4對點b的力臂 l7：作用力f2對點e的力臂 l8：作用力f5對點e的力臂將solidworks三維模型轉化成solidworks工程圖，可在工程圖中直接測量力臂l5、l6、l7、l8，測量值如圖10所示。以點b為轉動中心，依據力矩平衡原理，則f2xl5=f4xl6同

11、理，以點e為轉動中心，依據力矩平衡原理，則 f2xl7=f5xl8 由于f2=f1,將公式（1）帶入以上,可得 f4= g/2xl1xl5/(l6*l2) =72.1kn f5= g/2xl1xl7/(l8*l2) =69.7kn d 依據a、b、c計算方法,可計算為不同值時的f1f5的值。表1為計算結果。 表1 作用力f1f5的計算值計算結果已知條件：g=13kn 單位：knaf1f2f3f4f5-0.47.3 7.3 5.8 24.6 18.4 58.7 8.7 4.9 34.1 27.7 1010.3 10.3 4.6 46.2 39.9 1512.1 12.1 5.7 59.7 54.

12、5 2013.9 13.9 7.9 72.1 69.7 2514.7 14.7 10.1 76.2 77.1 3013.5 13.5 11.0 44.6 71.1 3510.3 10.3 9.9 48.2 53.0 406.5 6.5 8.3 29.4 33.1 453.1 3.1 7.0 14.3 16.2 500.8 0.8 6.5 3.9 4.4 550.90.9 6.5 5.2 5.7 602.2 2.2 6.6 13.0 14.2 653.3 3.3 7.0 21.7 23.4 703.9 3.9 7.3 30.1 31.7 754.64.6 7.7 39.6 41.2 805.3

13、5.38.2 51.7 52.7 855.9 5.95.3 66.5 67.3 886.3 6.3 9.0 70.2 70.2 3.3.2翻轉臂的強度分析在該機構中，翻轉臂是原動件，需有足夠的強度。本文使用solidworks進行應力計算 。如圖8所示，翻轉臂以b點為旋轉點，當以b點為固定點，且為鉸鏈鏈接時，翻轉臂的所受的作用力為f2和f4.，根據表1查詢，可知當翻轉角度為25時，f2和f4的值最大，分別為14.7kn和76.2kn,則以此角度時的工作狀態(tài)來計算翻轉臂的應力。圖8 翻轉臂的受力和約束簡圖 按照圖8所示,對翻轉臂模型進行加載約束和載荷，生成翻轉臂solidworks有限元模型，然

14、后對其劃分網格。采用二階實體四面體單元分網,是solidworks來對有限元模型劃分網格的常用方法,單元網格劃分越細密,計算機運行精度越高,但計算的時間越長.根據實際經驗,b點處的固定板有應力集中的現象,故劃分網格時,b點處適當加密網格,而兩側面板劃分時適當疏一些。網格劃分成功后，進行結果運算，得到應力計算結果（圖9）。如圖9所示，翻轉臂的最大應力為341.5mpa, 翻轉臂使用材料為碳鋼q235，根據機械設計手冊，查得碳鋼q235的抗拉強度為375460mpa ，翻轉臂滿足使用要求。圖9 翻轉臂的應力計算結果4結束語介紹了產品設計初期階段，對初步方案的分析方法和步驟，在實際工作中，產品設計時，只有在理論上驗證方案的合理性，才能提高設計的準確率，減少產品驗證周期和試制生產成本，采用本文論述的分析方法設計的該產品，自2009年5月投放市場以來，使用效果很好，贏得客戶的好評，取得了良好的經濟效益。 參考文獻1 孫訓方.材料力學. 北京:高等教育出版社.2002.2 陳長征.理論力學.北京:科學出版社，2004.3 王文斌.