垃圾壓塊機(jī)關(guān)鍵部件的運(yùn)動仿真與ANSYS分析

常曉東，王守城，李志富

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的與日劇增，日常生活中產(chǎn)生了大量垃圾，而垃圾處理是人們必須解決的問題。垃圾壓塊機(jī)的主要功能是將松散垃圾進(jìn)行壓縮成塊，從而方便生活垃圾的轉(zhuǎn)運(yùn)與最終處理。現(xiàn)如今，國內(nèi)的研究大多注重于壓塊機(jī)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對推壓頭及鎖緊鉤的研究相對較少。因此，對垃圾壓塊機(jī)關(guān)鍵部件推壓頭的運(yùn)動仿真與ANSYS靜力學(xué)分析至關(guān)重要。

1 關(guān)鍵部件的運(yùn)動仿真分析

1.1 導(dǎo)入模型

在導(dǎo)入模型之前，在SolidWorks軟件中，首先要保證已經(jīng)加載了Motion插件，并將系統(tǒng)單位設(shè)為MMGS[1]。在SolidWorks工作界面上加載模型，點(diǎn)擊工作界面上的“運(yùn)動算例”，進(jìn)入運(yùn)動仿真頁面，選擇“Motion分析”，并添加-y方向的模型引力，數(shù)值為9 806.65mm/s2[2]。因?yàn)閮H對關(guān)鍵部件的運(yùn)動仿真，所以只導(dǎo)入推壓、自推裝置。導(dǎo)入的模型如圖1所示。

圖1 運(yùn)動仿真模型圖

1.2 添加運(yùn)動驅(qū)動

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，垃圾壓塊機(jī)裝置的驅(qū)動是通過液壓缸來實(shí)現(xiàn)的，點(diǎn)擊運(yùn)算案例中的“馬達(dá)”，然后點(diǎn)擊“線性馬達(dá)”通過表達(dá)式形式來反映各個運(yùn)動，故采用階躍函數(shù)(STEP函數(shù))[3]，其形式為

STEP(x,xo,ho,x1,h1)

(1)

式中：x為自變量，時間或時間的任一函數(shù)；xo為函數(shù)自變量的開始值；x1為函數(shù)自變量的結(jié)束值；ho為函數(shù)的初始值；h1為函數(shù)的結(jié)束值。

1)推壓頭運(yùn)動驅(qū)動的添加

垃圾從傾倒口倒入壓縮箱體內(nèi)，當(dāng)待處理垃圾達(dá)到一定量時，推壓頭在推壓缸的驅(qū)動下壓縮垃圾。取最后一次壓縮過程進(jìn)行運(yùn)動仿真；8s的快進(jìn)，6s的工進(jìn)，加之3s的保壓；緊接著將垃圾塊推入自推箱體的時間為2s；隨后推壓頭返程復(fù)位時間為15s。實(shí)現(xiàn)這個過程耗費(fèi)的總時間為34s，運(yùn)動驅(qū)動函數(shù)為STEP(time,0,0,8,720)+STEP(time,8,0,14,360)+STEP(time,14,0,17,0)+STEP(time,17,0,19,120)+STEP(time,19,0,34,-1 200)。

2)自推壓頭運(yùn)動驅(qū)動的添加

由自推壓頭工作過程可知，為了使仿真計(jì)算較簡便，現(xiàn)暫定回縮過程的時間間隔為3s，回縮用時為4s。具體工作過程：壓縮好的垃圾塊被自推壓頭推入轉(zhuǎn)運(yùn)車的時間為26s，經(jīng)2s的回縮時間；自推壓頭退到箱體的邊緣位置，假定箱體隨舉升裝置的復(fù)位時間是3s；然后，推壓頭在推壓裝置的作用下向后退回一定距離，時間為4s；停滯3s以后，利用此循環(huán)，往復(fù)此過程，待自推壓頭完全復(fù)位為止。其運(yùn)動驅(qū)動函數(shù)為STEP(time,0,0,26,2 080)+STEP(time,26,0,28,-160)+STEP(time,28,0,31,0)+STEP(time,31,0,35,-240)+STEP(time,35,0,38,0)+…+STEP(time,73,0,77,-240)+STEP(time,77,0,80,0)+STEP(time,80,0,84,-240)。

3)鎖緊鉤運(yùn)動驅(qū)動的添加

為了使仿真計(jì)算較簡便，現(xiàn)暫定張開后停滯時間為3s，接著再次鎖緊。此過程：6s的張開時間，4.5s的鎖緊時間，3s的停滯，總時長為13.5s，鎖緊鉤在此過程中的最大行程量為180mm。運(yùn)動驅(qū)動函數(shù)為STEP(time,0,0,6,180)+STEP(time,6,0,9,0)+STEP(time,9,0,13.5,-180)。

1.3 施加外部載荷

1)推壓頭外部載荷的施加

由推壓頭工作原理可知，在保壓階段中，所承受最大載荷是600 kN，假設(shè)垃圾塊被推入自推箱體的最大載荷是601 kN，其載荷函數(shù)為STEP(time,0,0,8,400 000)+STEP(time,8,0,14,200 000)+STEP(time,14,0,17,0)+STEP(time,17,0,19,1 000)+STEP(time,19,0,20,-601 000)+STEP(time,20,0,34,0)。

2)自推壓頭外部載荷的施加

垃圾塊被自推壓頭推入到轉(zhuǎn)運(yùn)車內(nèi)，此過程自推壓頭需要克服最大阻力是10 kN，待完成后，推壓頭回縮時所受的合外力為1 kN。其載荷函數(shù)為STEP(time,0,10 000,26,10 000)+STEP(time,26,0,31,-10 000)+STEP(time,31,0,35,1 000)+STEP(time,35,0,38,-1 000)+…+STEP(time,77,0,80,-1 000)+STEP(time,80,0,84,1 000)。

3)鎖緊鉤外部載荷的施加

為了使仿真計(jì)算較簡便，先暫設(shè)鎖緊張開與停滯所承受載荷是0.086 kN。其載荷函數(shù)為STEP(time,0,86,13.5,86)。

1.4 仿真結(jié)果及分析

添加各部件驅(qū)動之后，首先點(diǎn)擊工作界面的“計(jì)算”，待完成計(jì)算后，然后繼續(xù)點(diǎn)擊“結(jié)果和圖解”，可得到最終的仿真結(jié)果[4]。

1)推壓頭的仿真結(jié)果分析

點(diǎn)擊“結(jié)果和圖解”，并選擇z分量的線性位移、速度，可得到推壓頭的線性位移、速度曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 推壓頭線性位移曲線

圖3 推壓頭線性速度曲線

根據(jù)圖2可知，在0s～14s內(nèi)，相對位移快速上升，此過程為壓縮過程；在14s～17s內(nèi)位移無變化，處于保壓階段；在17s～19s內(nèi)，相對位移達(dá)到了最大值；在接下來的15s內(nèi)位移逐漸下降為0，此過程為回縮階段。在這一個周期內(nèi)位移的相對變化滿足設(shè)計(jì)的需要。

根據(jù)圖3可知，在4s達(dá)到了壓縮過程速度的最大值136mm/s，在26.5s達(dá)到了回縮過程速度的最大值-120mm/s。這個周期內(nèi)，最大瞬時速度為壓縮過程的最大值，速度變化較平緩，滿足穩(wěn)定、可靠性的需要。

2)自推壓頭的仿真結(jié)果分析

根據(jù)推壓頭結(jié)果的求解，使用同樣的方法，得到自推壓頭的線性位移、速度曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 自推壓頭線性位移曲線

圖5 自推壓頭線性速度曲線

根據(jù)圖4可知，自推壓頭在26s達(dá)到了最大位移，最大值為2 080mm，在接下來的2s進(jìn)行后退。此過程是自推壓頭將垃圾塊推出，并回縮到自推箱體，緊接著自推壓頭進(jìn)行周期性后退，到84s時，位移數(shù)值為0，表示這個周期完成，滿足使用需求。

根據(jù)圖5可知，在0s～26s時間段內(nèi)，線性速度變化較平穩(wěn)，13s時瞬時速度達(dá)到最大，最大值為120mm/s。在26s～28s時間段內(nèi)，曲線圖出現(xiàn)尖點(diǎn)，線性速度變化較大。在此之后，速度變化較平穩(wěn)，相對速度較小，滿足使用要求。

3)鎖緊鉤的仿真結(jié)果分析

點(diǎn)擊“結(jié)果和圖解”之后，再選擇角位移與角速度，就能得到與之相應(yīng)的角位移、角速度曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 鎖緊鉤的角位移曲線

圖7 鎖緊鉤的角速度曲線

根據(jù)圖6可知，在0s～6s時間段內(nèi)，兩個鎖緊鉤的角位移呈上升的趨勢，并逐漸上升至最大值89°；在接下來的3s內(nèi)，角位移曲線為水平不增不減，保持不變，符合停滯3s的設(shè)定要求。在9s～13.5s時間段內(nèi)，鎖緊鉤的角位移曲線呈下降趨勢，并逐漸趨向于0°。這個過程完成了一次鎖緊鉤的張開、鎖緊，此過程兩個鎖緊鉤角位移保持相同的變化，滿足設(shè)計(jì)需要。

根據(jù)圖7可知，在打開過程中，第3s時，兩個鎖緊鉤的速度達(dá)到了最大。在鎖緊過程中，第11.20s時速度達(dá)到了最大，最大值為22deg/s。在6s～9s時間段內(nèi)，曲線水平數(shù)值為0，符合鎖緊鉤停滯3s的設(shè)計(jì)要求。在這個周期內(nèi)速度較平緩、平穩(wěn)，滿足使用要求。

2 關(guān)鍵部件的ANSYS分析

垃圾壓塊機(jī)的關(guān)鍵部件推壓頭、自推壓頭以及鎖緊鉤，其性能的好壞決定了整臺設(shè)備的運(yùn)行。因此對其分析，查看工作過程中的受力情況并適當(dāng)作出改進(jìn)。

4個行走輪與推壓頭的連接是銷連接，推壓頭與推壓缸的連接也是銷連接。在工作過程中，力最終作用在銷軸孔與銷接觸的圓柱面上，形成一個接觸角[5]。力均勻分布在圓柱曲面上，銷軸孔附近的應(yīng)力、應(yīng)變、位移會因接觸角變化而變化，所以，要合理地選擇接觸角。接觸角一般為120°～180°，現(xiàn)選擇推壓缸銷軸孔接觸角為120°，行走輪所在的銷軸孔接觸角為180°。同理，鎖緊鉤與箱體也為銷連接，現(xiàn)選擇其接觸角為120°。

推壓頭、鎖緊鉤選取的材料是Q235碳鋼，其材料屬性：泊松比為0.3，彈性模量為2.06×1011Pa，密度為7 800 kg/m3，拉伸屈服強(qiáng)度為235MPa[6]。

2.1 推壓頭的ANSYS分析

在垃圾壓縮過程，由于垃圾在箱體內(nèi)散亂地分布，導(dǎo)致推壓頭承受非線性載荷。為了更合理地分析推壓頭，假想推壓頭所受壓力有以下兩種情況。假想一：推壓頭受線性載荷；假想二：推壓頭中下部位受集中載荷[7]。

假想一：受線性載荷情況

1)導(dǎo)入三維模型并劃分網(wǎng)格

先進(jìn)入ANSYS Workbench15.0，然后定義材料屬性，右擊Geometry把建好的推壓頭三維模型導(dǎo)入，再雙擊Geometry打開模型，以銷軸安裝孔所在側(cè)面建立新平面并繪制草圖，使用切分功能對銷軸安裝孔進(jìn)行切分操作，經(jīng)切分以后能更好地分出120°的接觸角，目的是有利于加載約束。為了使計(jì)算時間和內(nèi)存要求都比較理想，所以整體采用ANSYS 自動劃分網(wǎng)格的形式。網(wǎng)絡(luò)劃分圖如圖8所示[8]。

圖8 推壓頭的網(wǎng)格劃分

2)施加約束與載荷

添加約束：對推壓缸支座銷軸孔添加固定約束，且添加在120°接觸面上；對行走輪支座銷軸孔添加圓柱面約束且徑向固定，并添加在180°接觸面上；對推壓頭前面板上導(dǎo)軌槽的y向位移固定。

施加載荷：對推壓頭的前面板施加均布載荷，經(jīng)查閱參數(shù)及計(jì)算可得P=0.35MPa。

3)求解分析

點(diǎn)擊“solve”按鈕進(jìn)行求解，求解完成后再進(jìn)行分析，得到假想一的應(yīng)力圖、位移圖，如圖9所示[9]。

圖9 假想一

根據(jù)圖9可知，在推壓缸行走輪支座附近的加強(qiáng)筋板上出現(xiàn)了最大應(yīng)力，且最大應(yīng)力為190.6MPa，材料的屈服應(yīng)力為235MPa，最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，滿足安全需要。在前面板中間位置變形較小，前面板頂部兩側(cè)位置變形最大，最大變形量為0.81mm。綜上所述，均滿足要求。

假想二：受集中偏載情況

1)導(dǎo)入三維模型并劃分網(wǎng)格

根據(jù)假想一可知，其導(dǎo)入模型并劃分網(wǎng)格的方式與上述相同，在推壓頭的前面板上受到非線性載荷，最終得到網(wǎng)格劃分結(jié)果，與圖8相同。

2)施加約束與載荷

添加約束：對推壓頭前面板上的導(dǎo)軌槽上表面法向平動位移固定；對行走輪支座銷軸孔添加圓柱面約束且徑向固定，并添加在180°接觸面上；對推壓缸支座銷軸孔120°接觸面的x方向位移進(jìn)行固定。

施加載荷：對推壓頭施加集中載荷，載荷大小F=600 kN。

3)求解分析

進(jìn)行求解分析可知，假想二的應(yīng)力圖、位移圖如圖10所示。

圖10 假想二

根據(jù)圖10可知，在推壓缸支座附近的加強(qiáng)筋板上出現(xiàn)了最大應(yīng)力，且最大應(yīng)力為333.26MPa，材料的屈服應(yīng)力為235MPa，最大應(yīng)力大于屈服應(yīng)力，則不滿足安全條件需要。在推壓頭前面板的底部發(fā)生最大變形，變形量為2.82mm，不滿足要求。綜上所述，需對此進(jìn)行改進(jìn)。

2.2 鎖緊鉤的ANSYS分析

1)導(dǎo)入三維模型并劃分網(wǎng)格

先進(jìn)入ANSYS Workbench15.0，然后定義材料屬性，右擊Geometry，把建好的鎖緊鉤三維模型導(dǎo)入。網(wǎng)格劃分采用ANSYS 自動劃分網(wǎng)格的形式。網(wǎng)絡(luò)劃分圖如圖11所示。

圖11 鎖緊鉤的網(wǎng)格劃分

2)施加約束與載荷

添加約束：對鎖緊鉤下銷軸孔徑向固定；對鎖緊鉤上銷軸孔進(jìn)行固定約束。

施加載荷：在鎖緊鉤與箱體的接觸面施加集中載荷，載荷的大小為F=150 kN。

3)求解分析

進(jìn)行求解分析后，加載出鎖緊鉤的應(yīng)力圖和位移圖，如圖12所示。

圖12 鎖緊鉤

根據(jù)圖12可知，在鎖緊鉤鉤頭內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最大應(yīng)力，且最大應(yīng)力285.61MPa大于材料的屈服應(yīng)力235MPa。在鎖緊鉤鉤頭外側(cè)出現(xiàn)最大變形，變形量為2.44mm，變形較大。綜上所述，需要對鎖緊鉤進(jìn)行改進(jìn)。

2.3 關(guān)鍵部件的改進(jìn)優(yōu)化

1)推壓頭的改進(jìn)

由關(guān)鍵部件的ANSYS分析可知，推壓頭大部分情況受集中載荷，所以改進(jìn)假想二。因?yàn)樽畲髴?yīng)力發(fā)生在推壓缸支座附近的加強(qiáng)筋板上，所以對支座整體加厚，改進(jìn)優(yōu)化后的推壓頭應(yīng)力圖、位移圖，如圖13所示。

圖13 改進(jìn)后的推壓頭

分析圖13可知，推壓頭經(jīng)改進(jìn)后最大應(yīng)力變?yōu)?11.09MPa，小于材料的屈服應(yīng)力235MPa。改進(jìn)后最大變形減小，變形量為0.94mm，滿足設(shè)計(jì)要求。此推壓頭的參數(shù)：面板厚150mm，支座孔徑100mm，支座厚60mm。

2)鎖緊鉤的改進(jìn)優(yōu)化

通過之前對鎖緊鉤的有限元分析可知，對鎖緊鉤進(jìn)行以下改進(jìn)：加長鉤頭尺寸，加厚整個鎖緊鉤，再經(jīng)建立模型—ANSYS導(dǎo)入模型—求解分析，得到應(yīng)力、位移圖如圖14所示。

圖14 改進(jìn)后的鎖緊鉤

由圖14可知，鎖緊鉤經(jīng)改進(jìn)后最大應(yīng)力變?yōu)?5.2MPa，小于材料的屈服應(yīng)力235MPa。改進(jìn)后最大變形減小，變形量0.8mm，此鎖緊鉤尺寸：銷軸孔徑為80mm，厚度為60mm。

3 結(jié)語

本文對垃圾壓塊機(jī)的主要關(guān)鍵部件推壓頭、自推壓頭、鎖緊鉤進(jìn)行了運(yùn)動仿真，驗(yàn)證其運(yùn)動是否符合設(shè)計(jì)要求，并通過Solidworks對其進(jìn)行三維建模，把模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行不同工況下的靜力學(xué)分析，通過最大應(yīng)力與屈服應(yīng)力的比較，判斷是否滿足剛度、強(qiáng)度需求，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定結(jié)構(gòu)的最終尺寸參數(shù)，使其滿足剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)需要及使用要求。