豎直壓縮垃圾中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)運車架主梁結(jié)構(gòu)分析

關(guān)天民，張雪濤，武力，雷蕾

(大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 前言

垃圾轉(zhuǎn)運設(shè)備在垃圾中轉(zhuǎn)站中起著十分重要的作用，是垃圾中轉(zhuǎn)站的重要組成部分，它和壓縮設(shè)備共同決定著整個垃圾中轉(zhuǎn)站的建筑結(jié)構(gòu)和運行模式.目前運行的大型垃圾中轉(zhuǎn)站根據(jù)壓縮方式的不同，主要有水平壓縮式和豎直壓縮式兩類.目前國內(nèi)對轉(zhuǎn)運設(shè)備的研究論文都是關(guān)于水平壓縮中轉(zhuǎn)站的，豎直壓縮式轉(zhuǎn)運設(shè)備的研究報道［1-2］較少.

本文研究的是豎直壓縮式垃圾中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)運設(shè)備中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運車架.并對轉(zhuǎn)運車架在幾種不同工況下進行建模分析，根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，經(jīng)過再分析得到滿意結(jié)果，最終確定轉(zhuǎn)運車架的最佳結(jié)構(gòu)方案.

1 使用PRO/E建立初始幾何模型

轉(zhuǎn)運車架平面圖如圖1所示，使用PRO/E軟件建立轉(zhuǎn)運車架初始幾何模型，在此基礎(chǔ)上進行分析計算.轉(zhuǎn)運車架幾何模型參數(shù)如表1所示.焊接工藝的板邊緣由于對計算結(jié)果的影響很小，所以在建立幾何模型時不予考慮.主梁模型直接使用矩形截面的型鋼代替兩個焊接的槽鋼，矩形截面尺寸如圖2所示.并將所保存*.igs格式文件導(dǎo)入Hypermesh中劃分網(wǎng)格.

圖1 轉(zhuǎn)運車架簡圖

表1 轉(zhuǎn)運車架幾何模型主要參數(shù)

2 建立有限元分析模型

2.1 使用Hypermesh建立初始有限元模型

Altair Hypermesh是世界領(lǐng)先的獨立于求解器的有限元分析前后處理平臺，擁有全面的CAD和CAE求解器接口，強大的幾何清理、網(wǎng)格劃分以及模型裝配功能.能夠高效地建立各種復(fù)雜模型的有限元和有限差分模型，其實體幾何和實體網(wǎng)格劃分功能建立了六面體和四面體網(wǎng)格劃分功能的新標(biāo)準(zhǔn).Morphing技術(shù)能夠幫助用戶更方便的實現(xiàn)CAE的參數(shù)化，從而提升優(yōu)化設(shè)計的能力.此外，Hypermesh突破有限元分析和多體動力學(xué)分析的界限，成為一個真正意義上通用的前處理平臺［3］.

圖2 主梁截面圖

根據(jù)該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，單元類型選用殼單元SHELL63［4］，并賦予該單元四種不同的厚度:20、15、10、8 mm 得到四個 SHELL63 單元組件.在需要添加約束的地方使用剛性約束，所以要再定義一種單元類型MASS21，并賦予該單元一個很小的質(zhì)量.劃分完網(wǎng)格后共得到節(jié)點88 726個，單元89 551個.考慮鋼結(jié)構(gòu)的自身重力的影響，重力加速度系數(shù)為9.8 kg·m/s2.

ANSYS中沒有單位的概念，只利用Hypermesh劃分網(wǎng)格，在整個有限元分析過程當(dāng)中屬于前處理過程，后處理過程使用 ANSYS完成.在 Hypermesh中建立有限元模型時需要考慮單位設(shè)置，統(tǒng)一單位標(biāo)準(zhǔn)，并將文件保存為*.cdb格式，最后導(dǎo)入ANSYS中才能得到正確的計算結(jié)果.初始有限元模型如下圖3所示.

圖3 有限元模型

2.2 確定工況條件并進行受力分析

根據(jù)設(shè)計方案的技術(shù)要求提供的工作狀態(tài)和工作載荷，轉(zhuǎn)運設(shè)備的工作過程，大致可以分為六種工作狀態(tài).其中工況狀態(tài)如表2所示.

表2 轉(zhuǎn)運車架工作狀態(tài)表

考慮到有限元分析的需要，經(jīng)分析，第一、第二和第四種工作狀態(tài)為危險工況，分別建立受力模型進行有限元分析.三種工況工作狀態(tài)簡化模型如圖4所示.

圖4 轉(zhuǎn)運車架三種危險工況

2.3 施加載荷和約束

分別對三種工況條件下的轉(zhuǎn)運車架建立靜力學(xué)分析模型，得出的載荷和約束條件如表3所示.

工況一，對A點取矩:

工況二，上翻轉(zhuǎn)架的力平衡方程:

表3 三種工況條件下的載荷和約束

由力矩平衡，對B點取矩:

其中，F(xiàn)為鋼絲牽引繩對容器的拉力，kN;F1為馬達對底座的力偶，kN·m;F41B為上折疊架對翻轉(zhuǎn)架的拉力，kN;F61A為雙作用液壓缸對翻轉(zhuǎn)架底座的作用力，kN;F53C為下折疊架對汽車底座的拉力，kN;Fx為翻轉(zhuǎn)架軸承x方向支反力，kN;Fy不翻轉(zhuǎn)架軸承y方向支反力，kN;θ為上翻轉(zhuǎn)架與汽車底盤的夾角;φ為鋼絲牽引繩與上翻轉(zhuǎn)架之間的夾角;φ2為上折疊架與汽車底盤之間的夾角.

工況四，上翻轉(zhuǎn)架的力平衡方程:

由力矩平衡，對B點取矩:

容器的力平衡方程:

各工況馬達底座支反力偶F1由公式T1=T/i;T1=F1×L求得.

其中，i為傳動機構(gòu)的傳動比，取i=3;T為外負載扭矩，kN·m;T1為馬達輸出扭矩，kN·m;L為馬達底座螺栓的中心距，m.各工況力的計算結(jié)果如表3所示.G為容器自重和垃圾滿載重量之和與動載系數(shù)K=1.1的乘積，取G=22 t.

3 分析優(yōu)化結(jié)果

3.1 初始設(shè)計方案分析結(jié)果

轉(zhuǎn)運車架初始有限元模型三種工況條件下的ANSYS有限元分析結(jié)果如表4.

表4 轉(zhuǎn)運車架初始有限元模型的計算結(jié)果

本文研究的轉(zhuǎn)運車架主梁采用45鋼，按第一類載荷組合計算時，安全系數(shù)取1.5，許用應(yīng)力的計算公式［5］:

帶入45 鋼的 σs=355 MPa，σb=600 MPa，則得到45鋼的許用應(yīng)力［σ］=237 MPa.從表4可以看出，工況一條件下轉(zhuǎn)運車架等效應(yīng)力最大值遠小于所選材料的許用應(yīng)力值，位移變形不大，完全符合設(shè)計要求.工況二、四條件下轉(zhuǎn)運車架的等效應(yīng)力最大值均不出現(xiàn)在主梁，工況二條件下轉(zhuǎn)運車架主梁的等效應(yīng)力最大值為175 MPa;工況四條件下轉(zhuǎn)運車架主梁的等效應(yīng)力最大值為180 MPa，應(yīng)力云圖分別如圖5、6所示.

轉(zhuǎn)運架主梁在工作時的撓度變形是比較大的，所以在設(shè)計時必須考慮主梁的剛度要求，以免產(chǎn)生過大撓曲變形妨礙正常工作.本文選用箱形伸縮式臂架的輪胎式起重機和汽車起重機的靜剛度要求標(biāo)準(zhǔn)，對轉(zhuǎn)運架主梁的靜剛度進行設(shè)計.靜剛度限制公式［6］:

其中，fL為最大靜位移，cm;LC為轉(zhuǎn)運架主梁長度，m;將已知數(shù)據(jù)LC=5.8 m帶入上式得轉(zhuǎn)運架主梁的最大撓度(最大位移)fL≤33.6 mm.

圖5 工況二初始模型應(yīng)力云圖

圖6 工況四初始模型應(yīng)力云圖

3.2 轉(zhuǎn)運車架主梁壁厚改進

根據(jù)以上三種工況的應(yīng)力結(jié)果分析，轉(zhuǎn)運車架的主梁應(yīng)力有較大余量，有必要對其壁厚進行優(yōu)化改進，以提高主梁材料的利用率.然后再對其他結(jié)構(gòu)的壁厚進行優(yōu)化改進，使整個轉(zhuǎn)運車架的位移變形和應(yīng)力達到工作設(shè)計要求.

3.3 改進后再分析結(jié)果

轉(zhuǎn)運車架主梁壁厚優(yōu)化為8 mm后，重新加載工況一、二、四的載荷和約束條件進行計算，得到轉(zhuǎn)運車架最終方案的計算結(jié)果，如表5所示.

表5 轉(zhuǎn)運車架計算結(jié)果(主梁壁厚8 mm)

工況二條件下，轉(zhuǎn)運車架上的等效應(yīng)力最大值為403 MPa不出現(xiàn)在主梁結(jié)構(gòu)上，主梁上的最大等效應(yīng)力為223.5 MPa，小于45鋼的許用應(yīng)力237 MPa的要求.應(yīng)力云圖如圖7所示.

圖7 工況二應(yīng)力云圖

工況四條件下，轉(zhuǎn)運車架上的等效應(yīng)力最大值為443 MPa不出現(xiàn)在主梁結(jié)構(gòu)上，主梁上的最大等效應(yīng)力為219.4 MPa，小于45鋼的許用應(yīng)力237 MPa的要求.應(yīng)力云圖如圖8所示.

圖8 工況四應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

三種工況條件下轉(zhuǎn)運車架主梁的最大等效應(yīng)力同樣滿足設(shè)計要求，而且材料的力學(xué)性能得到了充分利用.轉(zhuǎn)運車架主梁的應(yīng)力和撓度(位移)情況如表6所示.工況二、四的應(yīng)力云圖如圖7、8所示.

表6 轉(zhuǎn)運車架主梁的最大應(yīng)力(主梁壁厚8 mm)

為了得到以上計算結(jié)果，利用PRO/E軟件建立了幾何分析模型，使用Hypermesh對分析模型進行有限元前處理，最后使用ANSYS軟件進行有限元后處理，根據(jù)不同的工況條件對轉(zhuǎn)運車架進行結(jié)構(gòu)的靜強度和靜剛度分析.根據(jù)分析計算的結(jié)果，對主梁壁厚進行改進，改進后重新利用Hypermesh、ANSYS進行分析計算，得到改進后的結(jié)構(gòu)靜強度和靜剛度.通過結(jié)構(gòu)改進，轉(zhuǎn)運車架的質(zhì)量從原來的 0.80 t降到 0.686 t，質(zhì)量減少了15.3%，強度和剛度仍能滿足設(shè)計要求.

［1］曹修生.翻轉(zhuǎn)裝箱式生活垃圾壓縮中轉(zhuǎn)設(shè)備研究［D］.淄博:山東理工大學(xué)，2006:1-10.

［2］楊先海.城市生活垃圾壓縮和分選技術(shù)及機械設(shè)備研究［D］.西安:西安理工大學(xué)，2004:1-8.

［3］李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.HyperWorks分析應(yīng)用實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［4］紀愛敏，彭鐸，張培強，等.QY25型汽車起重機伸縮吊臂的有限元分析［J］.工程機械，2003(1):20-21.

［5］徐格寧.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.2版，北京:機械工業(yè)出版社，2009:38-39.

［6］胡宗武，汪西應(yīng)，汪春生.起重機設(shè)計實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:205-207.