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垃圾壓縮機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了垃圾壓縮機(jī)及其壓縮機(jī)構(gòu)的組成和工作原理，建立了垃圾壓縮機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)的三維模型，運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，得到垃圾壓縮機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)主要運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各鉸接點(diǎn)的載荷曲線，驗(yàn)證了油缸選型的正確性，為壓縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要參數(shù)。利用有限元分析軟件，對(duì)推鏟進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，使得推鏟總質(zhì)量得到顯著降低。
關(guān)鍵詞： 壓縮機(jī)構(gòu);動(dòng)態(tài)仿真;優(yōu)化;ADAMS
引言
通過使用垃圾壓縮機(jī)可以提高垃圾回收效率，在城市垃圾處理過程中，垃圾壓縮機(jī)是非常重要的一種環(huán)衛(wèi)工具，其使用相對(duì)簡(jiǎn)單，作業(yè)效率高，在垃圾處理方面，正在發(fā)揮著日益重要的作用[1]。
1、壓縮機(jī)構(gòu)的組成及工作原理
1.1 壓縮機(jī)構(gòu)的組成 垃圾壓縮機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)由廂體、液壓油缸、上滑板、下滑板以及推鏟五部分組成。液壓油缸缸筒通過固定鉸鉸接于焊接在廂體上的安裝座上，液壓油缸桿通過活動(dòng)較與推鏟鉸接，上滑板和下滑板通過自身滑塊套裝在廂體上的滑槽中。壓縮機(jī)構(gòu)的組成如圖1所示。
1.2 壓縮機(jī)構(gòu)的工作原理 垃圾壓縮機(jī)的壓縮機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)平面機(jī)構(gòu)，在該機(jī)構(gòu)中，液壓油缸為壓縮機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)推鏟在廂體內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)。參考圖1中A向視圖放大部分，推鏟頂部突出的擋塊與下滑板下部突出的擋板相互配合，使得推鏟在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，帶動(dòng)下滑板在一定行程之內(nèi)于廂體的滑槽中往復(fù)滑動(dòng)。同理，下滑板頂部突出的擋塊與上滑板下部突出的擋板相互配合，使得下滑板在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，帶動(dòng)上滑板在一定行程之內(nèi)于廂體的滑槽中往復(fù)滑動(dòng)。以廂體作為機(jī)架，略去上滑板和下滑板的壓縮機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。
2、ADAMS仿真模型的建立
2.1 壓縮機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型 在本文的研究中，主要是通過Solidworks進(jìn)行建模。建模過程遵循壓縮機(jī)構(gòu)自身的原理結(jié)構(gòu)，采用自下至頂方法，通過建立各部件的三維實(shí)體模型，并通過裝配完成該機(jī)構(gòu)的整體建模[2-5]，如圖3所示。
2.2 壓縮機(jī)構(gòu)ADAMS仿真模型 將Solidworks中建立的壓縮機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置好單位和重力加速度以及各構(gòu)件的材料和顏色，并添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)和推鏟所受的垃圾載荷。完成上述前處理后，得到裝載機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真模型如圖4所示。
根據(jù)壓縮機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用情況，液壓油缸驅(qū)動(dòng)采用Step位移函數(shù)添加在液壓油缸缸筒與缸桿之間的滑移副上，用以控制油缸行程和往復(fù)動(dòng)作時(shí)間[6]，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：
STEP(time，0，0，31，550)+STEP(time，31，0，34，0)+STEP(time，34，0，55，-550)
根據(jù)壓縮機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行情況，確定推鏟受垃圾反作用力函數(shù)，亦采用Step函數(shù)：
STEP(time，0，0，31，294200)+STEP(time，31，0，34，0)+STEP(time，34，0，36，-294200)
3、壓縮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真分析
3.1 壓縮機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真 在ADAMS中采用交互式仿真分析模式，將仿真類型設(shè)置為動(dòng)力學(xué)仿真(Dynamic)，設(shè)置仿真時(shí)間(End Time)為55s，仿真步數(shù)(Steps)30000。運(yùn)行模型仿真[7-10]，仿真過程中的動(dòng)畫截圖如圖5所示。
3.2 壓縮機(jī)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析 在ADAMS/Postprocessor模塊中得到壓縮機(jī)構(gòu)各測(cè)量結(jié)果曲線如圖7-圖11所示。
從圖6中可知推鏟在達(dá)到最大行程時(shí)，液壓油缸載荷最大，為2.1×105N，此時(shí)對(duì)應(yīng)的油缸夾角大小為43.9°。
推鏟運(yùn)行的平穩(wěn)性是衡量壓縮機(jī)構(gòu)壓縮性能的重要依據(jù)，通過測(cè)量得到推鏟質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的速度與加速度曲線如圖7、8所示，從圖7、8可以看出推鏟運(yùn)動(dòng)最大速度為75mm/s，最大加速度21.5/s2。推鏟運(yùn)行較為平穩(wěn)，但存在驟然啟、停特性，因此應(yīng)該在推鏟推出和退回到位位置增加減震措施，以減少壓縮機(jī)構(gòu)各組件間的沖擊。
4、推鏟有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化
4.1 推鏟有限元分析 在HyperMesh中，經(jīng)有限元分析，推鏟在極限工況下的位移和應(yīng)力分布情況如圖9和圖10所示。[11]
從得到的極限工況下推鏟的應(yīng)力云圖與位移云圖中可以看出，在極限工況時(shí)，推鏟最大位移出現(xiàn)在W型板的較大斜面上，其值為1.345mm，而推鏟絕大部分區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均在1.0×102MPa以下，在材料許可應(yīng)力范圍之內(nèi)，初步判斷該推鏟結(jié)構(gòu)能滿足使用要求，但仍可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小部位的鋼板厚度，同時(shí)調(diào)整推鏟各部位形位參數(shù)，以減輕推鏟總質(zhì)量。
4.2 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)后有限元分析 由于推鏟長(zhǎng)期工作在有腐蝕性液體的惡劣環(huán)境中，且長(zhǎng)時(shí)間與廂體摩擦，因此推鏟所用材料在設(shè)計(jì)時(shí)除考慮自身強(qiáng)度和剛度，滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求外，還應(yīng)考慮推鏟所用材料的腐蝕和磨耗。因此，在對(duì)推鏟進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，要根據(jù)有限元分析結(jié)果，并結(jié)合其實(shí)際運(yùn)行情況，合理降低用鋼厚度。
經(jīng)有限元分析，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后推鏟極限工況的位移和應(yīng)力分布情況如圖11和圖12所示。
4.3 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比分析 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比，如表1所示。
從表1中可以看出，雖然推鏟在極限工況下最大應(yīng)力有所增加，但其最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，推鏟結(jié)構(gòu)能滿足使用要求，且優(yōu)化后推鏟總質(zhì)量得到顯著的降低，降低幅度達(dá)14.3%。
5、結(jié)束語
在本文的研究中，主要是使用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，建立了垃圾壓縮機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，得到其主要運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和液壓油缸的載荷曲線，驗(yàn)證了油缸選型的正確性，并為壓縮機(jī)構(gòu)中推鏟的有限元分析提供了重要參數(shù)，通過推鏟有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得推鏟總質(zhì)量得到顯著降低，對(duì)相關(guān)研究具有一定的借鑒意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]梁光明.拉臂式垃圾車?yán)蹤C(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.
[2]陳立平，張?jiān)魄澹涡l(wèi)群，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.
[3]郭衛(wèi)東.虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實(shí)例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008，6.
[4]張策.機(jī)械動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008，1.
[5]金先龍.集裝箱運(yùn)輸車自卸機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[J].專用汽車，2001，22(2)：24-27.
[6]洪嘉振.多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論、計(jì)算方法和應(yīng)用[M].上海：上海交大出版社，2003.
[7]王曉，黃宗益，汪洪.旋轉(zhuǎn)式拉臂車優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(9)：1077-1081.
[8]MSC公司.ADAMS/View軟件手冊(cè).
[9]MSC公司.ADAMS/Solver軟件手冊(cè).
[10]MSC公司.ADAMS/PostProcessor軟件手冊(cè).
[11]王鈺棟，等.HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012，8：1-4.
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