一種新型垃圾桶夾持機(jī)構(gòu)支撐板的設(shè)計(jì)與分析

李英明 孫 濤 李 娜 王統(tǒng)順 秦錄芳

（徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221008）

目前，垃圾桶的清洗日益趨向機(jī)械化。運(yùn)用機(jī)械裝置進(jìn)行自動(dòng)清洗更加方便，卻會(huì)遇到垃圾桶夾持不穩(wěn)定、可靠性差的難題，夾持機(jī)構(gòu)的可靠性會(huì)影響垃圾桶的清洗效果。夾持機(jī)構(gòu)在垃圾桶的傳送模塊中是主要的承重機(jī)構(gòu)，承受著垃圾桶的總重量，夾持的不牢固會(huì)導(dǎo)致垃圾桶的晃動(dòng)，甚至出現(xiàn)滑脫情況?，F(xiàn)有的夾持機(jī)構(gòu)普遍采用彈簧、滑塊的共同作用達(dá)到夾持的效果[1]。

鑒于上述分析，本文設(shè)計(jì)了一種更為簡單可靠的夾持機(jī)構(gòu)，并通過ABAQUS分析軟件對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件支撐板進(jìn)行靜力分析，了解其應(yīng)力及變形情況，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 總體設(shè)計(jì)

對(duì)于垃圾桶的夾持，人們要考慮到：一是夾持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，要能夠保證夾持時(shí)不出現(xiàn)擺動(dòng)的情況；二是夾持機(jī)構(gòu)的可操作性，結(jié)構(gòu)要簡單，便于操作；三是夾持機(jī)構(gòu)的高效性，能夠保證工作時(shí)的高效率。

目前，市場上普遍生產(chǎn)的環(huán)衛(wèi)垃圾桶前部都有專有的吊掛裝置，可供一些機(jī)械裝置夾持。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的夾持機(jī)構(gòu)，通過壓板與支撐板的相互作用來起到夾持的效果。壓板采用平板的結(jié)構(gòu)，支撐板采用廣泛的齒式結(jié)構(gòu)，剛好可以與垃圾桶的吊掛裝置相配合，支撐板下部采用尺寸較大的齒形結(jié)構(gòu)，用以對(duì)垃圾桶的桶身起支撐作用。壓板與支撐板相互作用，中間用一個(gè)高彈性系數(shù)的彈簧緊拉著壓板與支撐板，這樣可以更好地固定垃圾桶。為了提高夾持機(jī)構(gòu)的高效性，本文增加了壓板與支撐板的長度，采用一次性夾持兩個(gè)垃圾桶的方案，大大提高了工作效率。

1.1 總體設(shè)計(jì)尺寸

目前，城鎮(zhèn)環(huán)衛(wèi)垃圾桶的設(shè)計(jì)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，環(huán)衛(wèi)垃圾桶的尺寸要求如表1所示[2]。本文以臨沂市雙龍塑料有限公司生產(chǎn)的環(huán)衛(wèi)垃圾桶為研究對(duì)象，選用常用的240L垃圾桶，該產(chǎn)品的規(guī)格是1020mm×597mm×740mm，質(zhì)量是12kg。鑒于此，本文設(shè)計(jì)的壓板尺寸為1600mm×80mm×20mm，支撐板的整體尺寸為1600mm×450mm×20mm，上部均勻分布有8個(gè)長70mm、寬50mm的小齒，下部均勻分布有4個(gè)長300mm、寬175mm的大齒。

表1 環(huán)衛(wèi)垃圾桶的尺寸要求

圖1 支撐板的簡化受力二維圖形

1.2 支撐板的受力分析

支撐板主要承受垃圾桶的重力和彈簧拉動(dòng)壓板對(duì)支撐板的壓力，其簡化受力圖如圖1所示。將垃圾桶的吊掛部分放置在小齒上時(shí)，垃圾桶本身主要對(duì)小齒產(chǎn)生壓力的作用。在垃圾桶懸掛時(shí)，由于吊掛部分的伸出，所以垃圾桶和支撐板之間會(huì)有一定的傾斜角，借助三維軟件仿真垃圾桶懸掛時(shí)的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)傾角較小，因此以下計(jì)算忽略了其傾斜角的影響。在保證壓板能夠和支撐板緊密相連的情況下，本文采用高彈性系數(shù)的彈簧，該彈簧彈性系數(shù)k為6000N/m，夾持時(shí)彈簧的伸長量約為100mm。由于垃圾桶的質(zhì)量一般為12kg，垃圾桶在使用后，內(nèi)部會(huì)含有一些傾倒不下去的廢料，包括泥、少量污水等。經(jīng)過測(cè)量，此時(shí)垃圾桶總重不超過16kg，為了保證結(jié)構(gòu)的可靠性，計(jì)算時(shí)本文采用的單個(gè)垃圾桶質(zhì)量為20kg。因此，支撐板承受的力和彈簧拉動(dòng)壓板對(duì)支撐板的壓力分別為：

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算可得：F總=1000N。

1.3 支撐板的強(qiáng)度校核

支撐板整體的材料選用正火處理后的45號(hào)鋼，該材料的屈服強(qiáng)度δ0.2≥355MPa，安全系數(shù)n=1.5～2.5，許用應(yīng)力|δ|≥142MPa，伸長率為16%，斷面收縮率為40%[3]。

對(duì)于支撐板上部的小齒部分進(jìn)行強(qiáng)度校核，圖2為小齒受力分析圖。

圖2 小齒受力分析圖

圖3 支撐板的整體受力簡圖

對(duì)于支撐板的整體，可以簡化成懸臂梁式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，總受力可以簡化，如圖3所示。支撐板的剪力圖和彎矩圖如圖4、圖5所示。由圖2和圖3可得：

圖4 支撐板的剪力圖

圖5 支撐板的彎矩圖

2 基于ABAQUS的零部件分析

支撐板在整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，其性能決定著整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)性能。就支撐板的整體而言，夾持垃圾桶的力主要集中在小齒部分，對(duì)齒形部分進(jìn)行有限元分析至關(guān)重要，可以定量獲得應(yīng)力和變形值，為結(jié)構(gòu)的可靠性提供理論依據(jù)。本文采用ABAQUS6.13對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的支撐板進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和位移分析。

2.1 支撐板的有限元模型

支撐板材料采用正火處理后的45號(hào)鋼，該材料密度為ρ=7.81×103kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.28。在有限元分析前需要對(duì)模型進(jìn)行必要的簡化，忽略其他結(jié)構(gòu)，簡化后支撐板主要結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 支撐板的實(shí)體模型

2.2 定義邊界條件與施加載荷

支撐板是主要承重件，其采用平面定位[4]。所以，在編輯邊界條件時(shí)，本文采用ENCASTRE，約束了其所有的自由度，如圖7所示。支撐板小齒部分主要承受垃圾桶在豎直方向上的力，由上述受力分析可知，小齒的上部承受載荷約為0.03571MPa，對(duì)其施加均布載荷如圖8所示。

圖7 邊界條件的定義

圖8 施加的載荷

2.3 模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是決定分析精度的重要環(huán)節(jié)[5]。對(duì)支撐板結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分影響著分析的結(jié)果。由于該支撐板的模型較為復(fù)雜，為了避免使用分割操作而導(dǎo)致的工作量增加和人工操作可能引起的誤差，本文采用二次四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖9所示[6]。網(wǎng)格的大小影響著分析的精度，如圖10所示，本文對(duì)其種子大小采用15，最終劃分好的網(wǎng)格模型如圖11所示。

圖9 網(wǎng)格模型

圖10 布種子

2.4 靜力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)過ABAQUS的靜力分析，支撐板的應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D、位移云圖分別如圖12、圖13和圖14所示。由應(yīng)力云圖可知，支撐板承受的最大應(yīng)力為0.4117MPa。由應(yīng)變?cè)茍D可知，支撐板的最大應(yīng)變?cè)邶X根部，其值為2.056×10-6。由位移云圖可知，其最大位移量是在大齒部，為1.084×10-3mm。

圖11 網(wǎng)格劃分的模型

圖12 應(yīng)力云圖

圖13 應(yīng)變?cè)茍D

圖14 位移云圖

3 結(jié)論

本文對(duì)支撐板開展了有限元分析，結(jié)果表明，支撐板承受的最大應(yīng)力為0.4117MPa，遠(yuǎn)小于材料自身的許用應(yīng)力，所以設(shè)計(jì)的支撐板強(qiáng)度在安全范圍內(nèi)；支撐板的最大應(yīng)變?cè)邶X根部，其值為2.056×10-6，支撐板的變形量在允許范圍之內(nèi)；其最大位移量在大齒部，為1.084×10-3mm，顯然在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)整體的安全可靠性。