基于Solidworks 的農(nóng)村廁所糞污處理機全掛車車架設(shè)計及仿真

摘 要： 針對農(nóng)村廁所糞污處理機全掛車車架在移動過程中容易開裂的現(xiàn)象，設(shè)計了一款可靠、安全的全掛車車架。利用Solidworks 軟件對載質(zhì)量8 t 的全掛車車架的縱梁、橫梁及副支撐梁進行設(shè)計并通過三維建模進行仿真分析。同時，對簡化的全掛車車架縱梁進行車架危險截面確定及強度校核，對全掛車車架進行位移及應(yīng)力校核。根據(jù)受力分析和計算結(jié)果再進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化完善，確保整車車架參數(shù)在安全范圍內(nèi)，最終完成整體車架結(jié)構(gòu)設(shè)計。開展了農(nóng)村廁所糞污處理機試驗， 試驗處理量3.1 m3/h， 處理后糞水pH 值6.55、BOD 降低91%、COD 降低75.9%、氨氮降低79.57% 和懸浮物降低99.65%，實現(xiàn)了農(nóng)村廁所糞污就近、就地機械化處理，為資源化利用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村廁所；糞污處理機；全掛車車架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；強度校核

中圖分類號：S220 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0083-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411312

0 引言

人糞中70%～80% 為水分，20% 為纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)及其分解物等有機質(zhì)，5% 為硅酸鹽、磷酸鹽和氯化物等灰分，新鮮人糞呈中性[1]。人尿中95% 為水分，其他為尿素、尿酸等有機物，以及氯化鈉、磷酸鹽、銨鹽等無機鹽。鮮尿呈微酸性，腐熟后呈堿性，易被作物吸收利用，肥效快，可作基肥、追肥[2-3]。我國糞污處理系統(tǒng)的發(fā)展大致分為4 個階段：20 世紀(jì)50 年代，公廁衛(wèi)生改造及糞污收集設(shè)施初步建設(shè)；60—70 年代，加大了糞污清運基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和機械化糞污清運；80 年代以后，水沖式廁所普及率迅速提高，糞污進入無害化處理階段；90 年代中期以來，越來越多的城市采用糞污經(jīng)預(yù)處理后，與城市污水處理廠或垃圾衛(wèi)生填埋場合并處理的方式。但是針對農(nóng)村旱廁的人糞處理技術(shù)仍處于較傳統(tǒng)階段，處理方法主要包括農(nóng)業(yè)利用、衛(wèi)生填埋和好氧堆肥等[4-6]。我國大部分地區(qū)處理的方法有建立沼氣發(fā)酵法、三格糞池法和通風(fēng)改良法[7-11]。三格式化糞池雖然能夠滿足糞污的無害化處理要求，但不能滿足環(huán)境保護及就近就地機械化處理、資源化利用的要求[12-13]。

近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進步，有關(guān)人糞處理的設(shè)施裝備也不斷地被生產(chǎn)制造出來。如宜興華都琥珀環(huán)保機械制造有限公司生產(chǎn)的糞污污水處理裝備用于城市糞污的處理，采用先將糞污進行預(yù)處理[14-16]。山東曲阜潤豐機械有限公司生產(chǎn)的無害化處理機，采用泥漿泵將原糞水送至主機內(nèi)，通過擠壓分離出固態(tài)物質(zhì)，液體則通過篩網(wǎng)從機體下部的出液口流出實現(xiàn)處理。深圳市九九八科技有限公司生產(chǎn)的干濕分離吸糞車，通過對干濕分離裝置整合，實現(xiàn)對污水、污泥、糞污的無害化處理。中科博聯(lián)科技集團生產(chǎn)的CTB 一體化智能好氧發(fā)酵裝備通過密閉處理方式對糞污進行處理[17-18]。

針對農(nóng)村廁所糞污處理無機可用、無好機用的現(xiàn)狀，在全掛車車架設(shè)計、計算、應(yīng)力和位移校核，以及仿真應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，對農(nóng)村廁所處理機及車架進行加工制作，研制開發(fā)形成了FWCL-3 型農(nóng)村廁所糞污處理機樣機，通過抽吸、過濾和固液分離，實現(xiàn)對農(nóng)村廁所三格式化糞池內(nèi)的糞污移動式機械化處理。該機操作方便，轉(zhuǎn)運靈活，無故障發(fā)生，作業(yè)效率、處理效果達到設(shè)計要求，實現(xiàn)了農(nóng)村廁所糞污就近、就地機械化處理，源頭減排，為資源化利用提供機械化解決方案，促進農(nóng)村人居環(huán)境改善。

1 農(nóng)村廁所糞污處理機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

農(nóng)村廁所糞污處理機主要由車架、抽吸裝置、粗濾裝置、存儲裝置、配藥裝置、固液分離裝置、柴油機和控制裝置等組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要設(shè)計參數(shù)如表1 所示。車架是農(nóng)村廁所糞污處理機的重要組成部分，主要由軸、輪胎、制動系統(tǒng)、支腿、轉(zhuǎn)向盤、牽引架和管路等組成，車架的強度、鋼度、安全性和可靠性是該機穩(wěn)定行駛的保障，因此，對車架建模仿真分析、危險截面校核、應(yīng)力校核等十分必要。

1.2 工作原理

把化糞池里的污水和不能分解的垃圾抽至設(shè)備，通過設(shè)備的固液分離器進行分離，把長期集留在化糞池內(nèi)的固體垃圾（石塊、紙巾、塑料袋等）雜質(zhì)分離出去，產(chǎn)生粗渣，這些粗渣當(dāng)作生活廢棄物處理；剩余液體可直接排入原化糞池井內(nèi)。這樣可快速地減輕化糞池內(nèi)負荷，回歸設(shè)計容積，接入化糞池的污水管道也不會堵塞，分離出的固體可以作為有機肥堆肥原料。

2 全掛車車架建模分析

2.1 車架縱梁和橫梁設(shè)計

全掛車對于縱梁強度和剛度要求較高。全掛車的縱梁材料一般選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A 型（屈服強度235 MPa，質(zhì)量等級A 級），以保證縱梁具有很強的抗彎曲性能。平板式車架縱梁長度4 200 mm，采用熱軋槽鋼14b 型（GB/T706—2016），高度140 mm、腿寬度60 mm、腰厚度8 mm。車架的前懸長度800 mm、后懸長度800 mm。車架縱梁主截面是槽鋼型，具體結(jié)構(gòu)如圖2a 所示。

橫梁主要作用是連接左右縱梁，橫梁位置合理布置可以大大改善車架所受內(nèi)應(yīng)力，提高車架工作可靠性。為了防止整個車架抗扭轉(zhuǎn)剛度的減弱，設(shè)計了3種不同結(jié)構(gòu)的橫梁，即前橫梁、內(nèi)置橫梁和副支撐梁。全掛車車架橫梁均采用沖壓的方法加工完成，3 種橫梁的材料均選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A 型。3 種橫梁的三維建模如圖2b、圖2c 和圖2d 所示。

2.2 車架縱梁和橫梁連接設(shè)計

選擇合理的縱橫梁連接方式對車架本身剛度至關(guān)重要。本研究選取的車架由2 根槽型的主縱梁為基體，縱梁間的約束距離950 mm。以截面形狀為槽型的前置梁為基礎(chǔ)，每隔1 000 mm 布置剩余橫梁，最后裝配副支承梁。

橫梁與縱梁上下翼緣連接，如圖3a 和圖3c 所示，此種結(jié)構(gòu)有利于提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度，但在受扭嚴重的情況下，易產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)，因而在縱梁翼緣處會出現(xiàn)較大的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)用在全掛車車架后懸架支撐處、支撐裝置處。橫梁和縱梁的腹板連接，如圖3b 所示，此種連接方式結(jié)構(gòu)剛度較差，允許縱梁截面產(chǎn)生自由翹曲，不形成約束扭轉(zhuǎn)，多用在扭轉(zhuǎn)變形較小的車架中部橫梁上，全掛車車架未使用此種連接方式。橫梁與縱梁上翼緣和腹板，如圖3 d 所示，這種結(jié)構(gòu)兼有以上兩種結(jié)構(gòu)的特點，故應(yīng)用在全掛車車架中部橫梁。

農(nóng)村廁所糞污處理機車架各部分的建模過程大致如上所述，將縱梁、前橫梁、內(nèi)置橫梁和副支撐梁4部分裝配后，車架經(jīng)過Solidworks 三維模型的創(chuàng)建，全掛車車架三維結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

3 全掛車車架強度計算

3.1 車架縱梁強度

車體各個部分的質(zhì)量：車架質(zhì)量590 kg、轉(zhuǎn)向架質(zhì)量112 kg、牽引架質(zhì)量68 kg、梯子與護網(wǎng)總質(zhì)量40 kg、無心轉(zhuǎn)盤質(zhì)量80 kg、兩根車軸總質(zhì)量320 kg 及輪胎總質(zhì)量410 kg。軸荷分布，由于縱梁承載了車輛載貨過程中絕大多數(shù)載荷，將全掛車車架縱梁簡化為支承在前軸和后軸上的簡支梁計算，并完成強度分析計算。簡支梁的受力分析如圖5 所示。圖中，F(xiàn)A 為后軸中心處受力，N；FB 為前軸中心處受力，N；L 為軸距，mm；LK 為前軸中心到車架頭部的距離，mm；qa為車輛滿載時整個車架承受的縱向單位長度均勻載荷，N/m；La 為車架長度，mm。

經(jīng)計算得車輛滿載時整個車架所承受的縱向單位長度均勻載荷按式（2）計算。

G= （g1+g2）k （1）

qa =G／La（2）

式中 g1——車架總質(zhì)量，kg

g2——設(shè)計載荷總質(zhì)量，kg

G——掛車承受重力，N

k——比例系數(shù)，k=9.8

經(jīng)計算得，G=94 276 N，qa=22 450 N/m。

3.2 車架支反力

全掛車車架為兩根主縱梁，滿載時進行單根縱梁強度檢核。車輛滿載時單根縱梁承受的縱向單位長度均勻載荷q 為

q =G／2La（3）

經(jīng)計算得，q=11 225 N/m。

由平衡力矩方程，計算前、后軸受力。

式中 L2——軸距，m

L1——后懸長度，m

L3——前懸長度，m

RB——前軸受力，N

RA——后軸受力，N

經(jīng)計算得，RB=RA=23 600 N。

3.3 車架剪力計算

CA段： f （x） = -qx （0 ? x ? 0.8） （7）

AB段： f （x） = RA -qx （0.8＜x ? 3.4） （8）

BD段： f （x） = q（La - x） （3.4＜x ? 4.2） （9）

由上述3 式可計算出各剪力最大的點為：Qa=0 N，Qb=?qL1=?8 980 N，Qc=RA?qL1=14 620 N，Qf=qL3=8 980 N，Qe=RB+qL3=14 620 N，Qd=0 N。

3.4 車架彎矩計算

CA段：MCA （x） = - qx2／2（0 ? x＜0.8） （10）

AB段：MAB （x） = RA （x-0.8）- qx2／2（0.8 ? x＜3.4）（11）

BD段：MBD （x） = - q（La - x）2／2（3.4 ? x＜4.2） （12）

由上述3 式可計算出各彎矩最大的點為：A 點的最大彎矩MA=?qx2/2=?3 592 N/m； B 點的最大彎矩MB=?q（La?x）2/2=?3 592 N/m；B 間的最大彎矩位于距離C 點x 處， 此處剪力等于0， x=RA/q=2.1 m， Mx，max=RA（x?0.8）?qx2/2=5 930 N/m。

通過計算，可以畫出車架縱梁的支反力、剪力、彎矩圖如圖6 所示。

3.5 車架危險截面計算

由經(jīng)驗可知，縱梁的危險截面一般為變截面處和最大彎矩處， 通過結(jié)構(gòu)圖和計算可知是距離車尾2.1 m 處，現(xiàn)對此處截面進行強度校核，如圖7 所示。

由彎矩應(yīng)力式（13）計算出截面彎矩應(yīng)力σx

σx =Mx，max／Wx（13）

通過查表可知，14b 槽鋼抗彎截面系數(shù)Wx=87.1 cm3。經(jīng)計算得σx=68.1 MPa。

對于槽鋼截面，其平面上的剪切應(yīng)力可看成均布的，所以其剪切應(yīng)力τ 可由式（14）計算。

τ"=FS/σ2h（14）

式中 FS——最大剪切應(yīng)力，N，F(xiàn)S=14 620 N

σ2h——腹板截面面積，查表可知14b 槽鋼腰厚6 mm，高度140 mm，平均腿厚度9.5 mm

經(jīng)計算截面剪切應(yīng)力τ=20.14 MPa。

本車架縱梁采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A 材質(zhì)，其屈服極限σs=235 MPa，其許用屈服應(yīng)力按式（15）計算、許用剪切應(yīng)力按式（16）計算。

[σ] =σs/n1n2（15）

[τ] = 0.6[σ] （16）

式中 [σ]——材料許用屈服應(yīng)力，MPa

σs——材料屈服極限，MPa

n1——疲勞系數(shù)，n1=1.2～1.4，取n1=1.3

n2——動載系數(shù)，n2=1.8～2.2，取n2=2.0

[τ]——材料許用剪切應(yīng)力，MPa

經(jīng)計算得，[σ] =90.38 MPa，[τ]=54.228 MPa。

由于縱梁同時承受剪力和彎矩，由第4 強度理論，校核截面強度，按式（17）計算。

經(jīng)計算得，σ=70.965 MPalt; [σ]=90.38 MPa。

通過上述計算，縱梁強度符合要求。此次全掛車采用硬連接，無懸掛系統(tǒng)，不進行分析。全掛車車軸是非驅(qū)動軸，可看作是剛性橫梁，支點位于輪胎中心，載荷作用在軸座上，如圖8 所示，圖中l(wèi)a 為安裝距、lb為輪距。

車軸總成主要由輪胎、車軸、制動器和輪轂等組成。全掛車可根據(jù)用戶要求選裝性質(zhì)優(yōu)良的車軸總成，亦可采用外購總成件或零部件組裝，其軸頭和軸體均為優(yōu)質(zhì)鋼材制造，軸體為整體式圓鋼截面。全掛車車軸的質(zhì)量屬于非懸掛質(zhì)量，對車輛行駛的平順性不利，所以在設(shè)計車軸時，應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

前后軸體采用45#材質(zhì)，直徑Φ85 mm 圓鋼，按照公式（18）計算抗彎截面系數(shù)；按式（19）和（20）計算軸處受力；軸體的最大彎矩在兩軸支撐中心位置，彎矩值Ml，max 按式（21）計算，彎矩截面應(yīng)力σl 按式（22）計算。

經(jīng)計算得，Wl=60 307.1 mm3， FA=FB=47 145 N，Ml， max=9170 N/m，σl=152 MPa。全掛車前后軸體采用45#材質(zhì)，其屈服極限σs=355 MPa，按式（15）計算出許用應(yīng)力[σ]=164.35 MPa，其中，疲勞系數(shù)n1=1.2、動載系數(shù)n2=1.8。σl=152 MPalt;[σ]，表明車軸強度滿足要求。

4 全掛車車架位移及應(yīng)力校核

農(nóng)村廁所糞污處理機一般在較為平坦公路路面上行駛，采用Solidworks 軟件分別對全掛車車架結(jié)構(gòu)、半掛車車架結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析。由圖9 可知，全掛車車架位移變形量2.62 mm，半掛底盤車車架位移變形量10.29 mm，全掛車車架結(jié)構(gòu)位移變形量比半掛車小7.67 mm，采用全掛車車架結(jié)構(gòu)鋼度優(yōu)于半掛車車架結(jié)構(gòu)。

車架選材屈服極限2.350e+02 MPa，由圖10a 可知，全掛車車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力最小值0 MPa、最大值1.967e+02MPa，1.967e+02 MPalt;2.350e+02 MPa，可以確定車架結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性滿足車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

由圖10b 可知，半掛車車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力最小值0 MPa、最大值5.615e+02 MPa，5.615e+02 MPagt;2.350e+02 MPa，確定在相同材料下半掛車車架局部位置結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性不滿足農(nóng)村廁所糞污處理機車架結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。因此，全掛車車架結(jié)構(gòu)鋼度優(yōu)于半掛車車架結(jié)構(gòu)鋼度，并且總體高度低，支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，最終確定農(nóng)村廁所糞污處理機采用全掛車車架結(jié)構(gòu)。在車架設(shè)計孔時注意在應(yīng)力小的部位處，這樣可提高車架使用壽命。

5 試驗驗證

2022 年9 月，在北京市平谷區(qū)大華山鎮(zhèn)大裕子村開展農(nóng)村廁所糞污處理機試驗。農(nóng)村廁所糞污處理機如圖11 所示。結(jié)果表明，農(nóng)村廁所糞污處理機處理量3.1 m3/h，滿足3 m3/h 處理量的設(shè)計要求。處理后糞污pH 值調(diào)整為6.55，BOD 降低91%、COD 降低75.9%、氨氮降低79.57% 及懸浮物降低99.65%，達到了農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中pH 值、BOD、COD、氨氮和懸浮物指標(biāo)要求，為農(nóng)村廁所糞污就近、就地處理機械裝備研制開發(fā)，資源化利用奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

（1）根據(jù)農(nóng)村廁所糞污處理工藝要求及移動作業(yè)過程中車架容易開裂的現(xiàn)象，設(shè)計了一款載質(zhì)量8 t 的全掛車車架，為農(nóng)村廁所糞污處理機推廣應(yīng)用提供移動式底盤。通過 Solidworks 軟件對簡化的載質(zhì)量8 t 的全掛車車架的縱梁、橫梁及副支撐梁進行三維建模仿真分析。對全掛車車架縱梁進行車架危險截面確定及強度校核，對全掛車車架進行位移及應(yīng)力校核，根據(jù)受力分析和計算結(jié)果再進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化完善，確保整車車架參數(shù)在安全范圍內(nèi)，完成車架結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）針對研制的農(nóng)村廁所糞污處理機開展試驗，經(jīng)試驗該機處理量3.1 m3/h，處理后糞污pH 值6.55，BOD 降低91%、COD 降低75.9%、氨氮降低79.57%及懸浮物降低99.65%，實現(xiàn)了農(nóng)村廁所糞污就近、就地機械化處理，為資源化利用奠定基礎(chǔ)。

（3）設(shè)計的全掛車車架能夠為FWCL-3 型農(nóng)村廁所糞污處理機提供穩(wěn)定、可靠的行走底盤車架，達到設(shè)計要求，設(shè)備無故障發(fā)生，為不同型號農(nóng)村廁所糞污處理機的研制開發(fā)提供借鑒。

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基金項目： 北京市鄉(xiāng)村振興科技項目（20221128）