基于Solid Works插件對垃圾車舉升油缸力的分析

郝學維 孔靚靚 李 文凱 劉建

1 前言

當今社會各行各業的競爭越來越激烈，為縮短設計周期，降低成本，提高產品質量，學習和應用計算機輔助工程CAE顯得越來越重要[1]。SolidWorks Motion是SolidWorks的運動仿真插件，其操作簡單、易于分析，在工程技術設計中應用廣泛。下面結合SolidWorks（下稱SW）運動仿真插件，模擬后裝壓縮式垃圾車舉升油缸的舉升動作，并輸出整個舉升過程中填料器（含傾倒裝置）質心力臂和舉升油缸舉升力臂的變化參數點域，最后利用Excel繪制各力臂的變化曲線及舉升油缸舉升力變化曲線，以此分析垃圾車舉升油缸舉升力的變化，對優化設計起指導作用。

2 運動仿真模型的建立

2.1 填料器運動過程

當后裝壓縮式垃圾車收集滿垃圾轉運至垃圾中轉站或垃圾處理廠卸載時，舉升油缸將填料器舉升至最大角度，推出板將垃圾箱內垃圾推卸出，然后操縱控制系統，使填料器在自身重力作用下，收縮舉升油缸，復位填料器，完成整個卸料過程。在此過程中，舉升油缸所提供舉升力的變化過程是本文分析的重點。

2.2 模型建模的思路與技巧

a. 由于SW Motion插件對計算機的配制要求較高，若按圖1所示對未經簡化的箱體與填料器組合件模型進行運算，往往會耗費較長的時間，且易造成未知錯誤。經分析，箱體組合件僅作為本文研究的“支點角色”，可簡化至后框架組件進行建模；b. 填料器為本文研究對象之一，必須對其所有零部件逐一建模，且保證每一個零件均指定了正確的材質和厚度（或規格），以便準確地模擬出填料器的質心位置。c. 如圖2所示的簡化模型中，將模型原點O設置在填料器與后框架鉸接軸中心點處，以便后續輸出的力臂變化點域以該鉸接軸中心為相對坐標原點。d. 僅保留本次研究過程中所涉及到的填料器繞鉸接軸轉動和舉升油缸伸縮動作自由度，其余零部件完全約束，并將屬性設置為剛性，否則SW Motion插件將提示出錯，無法輸出結果。e. 在舉升油缸中心線縱向面上建立曲面（平面區域），以便于舉升油缸舉升力臂參考面的選取，若僅建立基準面，在運動仿真運算中將無法選取。

2.3 模型運動過程受力簡化分析

在舉升油缸作用下，填料器繞其與箱體后框架鉸接軸近似勻速旋轉至舉升角度，舉升角以92°為準。此過程中，可視為填料器力矩平衡，即∑Mi= 0，則舉升油缸舉升力矩MF等于填料器質心力矩填料器舉升動作受力簡化分析如圖3所示[2]，由填料器力矩平衡可得公式：

3 模型的仿真分析

3.1 填料器質心力臂曲線繪制

根據分析，在舉升油缸推力F與填料器自重G作用下，填料器繞鉸接點O（模型原點）近似勻速轉動至舉升角度，整個舉升過程力矩平衡，即：

若按常規公式計算，首先需要確定填料器組件的質心位置，即每一個零部件的質量Pi及 其質 心位 置Gi( xi， yi， zi)，此計算方法過于復雜，且求解困難。而利用SW軟件，無需確定質心位置即可準確求解出填料器質心力臂隨時間變化的點域。

下面詳細介紹應用SW軟件繪制質心力臂曲線的過程。

a. 打開圖2所示簡化模型后，借助SW軟件的“評估”–“質量屬性”，準確求解出填料器組件總質量1 800 kg。

b. 調出SW分析插件列表，勾選“SW Motion”分析插件，即可進行運動仿真。將軟件切換至動畫仿真分析界面，在動畫分析工具欄上選擇“Motion分析”，如圖4紅色方框標注所示。

c. 模擬填料器舉升過程，在填料器支耳（與箱體上框鉸接處）添加旋轉馬達，點選圖4綠色方框標注的按鈕，角位移設定為92°，運行時間為5 s，再點選圖4中藍色方框標注按鈕，運行仿真過程。

d. 點選”Motion工具欄”–“ 結果與圖解”按鈕，進入如圖5所示設置界面。選取填料器任意零部件，用SW Motion運算后輸出填料器質心力臂變化點域，并導出.xls文件。再經Excel處理，繪制出填料器質心力臂–時間變化曲線，如圖6中橘色曲線。

3.2 舉升油缸舉升力臂曲線繪制

按照填料器質心力臂求解方法，在已添加的旋轉馬達作用下，利用SW Motion插件，按圖7所示設置，選取鉸接點O（原點）和舉升油缸縱向面所建的曲面運算，即可生成舉升油缸舉升力臂變化點域，經Excel繪制出舉升油缸舉升力臂–時間變化曲線，如圖6藍色曲線所示。

3.3 舉升油缸舉升力分析

根據SW運動仿真插件輸出的填料器質心與舉升油缸舉升力臂變化點域，經Excel處理，繪制出填料器質心力臂與舉升油缸舉升力臂比值–時間曲線，如圖8所示。

由圖8曲線可以看出，填料器質心力臂與舉升油缸舉升力臂比值LG/ LF變化范圍為3.5～4.0，且在初始舉升位置處最大。由式(2)得：

由填料器組件自重G=1 800 kg，可繪制出單支舉升油缸理論舉升力變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，舉升油缸舉升力的變化范圍為31 500～36 000 N，在初始位置處舉升力最大，Fmax=36 000 N。若舉升油缸在初始位置處能將填料器組件舉起，即可順利完成整個舉升行程；舉升力變化曲線曲率過渡平緩，無驟增驟減現象，說明整個舉升行程中，舉升油缸受力平緩，未受到明顯沖擊載荷的作用。

本文以舉升油缸缸徑D=70 mm，額定壓力P=16 MPa為例，計算舉升油缸舉升力值FO：

由計算可知，舉升油缸完全可以滿足填料器的舉升要求，且油缸舉升力余量充足。

經對國內用戶走訪發現，在壓縮式垃圾車長時間使用中，舉升油缸的舉升性能會下降，出現舉不起或舉升較慢現象。其原因為：a. 油缸生產加工精度不高，使油缸存在較大的內泄量，導致油缸實際作用力低于理論計算值；b. 油缸長時間使用，油缸內部元件及密封元件磨損，導致其自身舉升性能逐漸衰減；c. 作業人員未能按照車輛使用手冊操作，導致實際舉升負載增大，如填料器污水箱內污水未排凈或料斗內殘存大量垃圾；d.在整個系統中，液壓元件如泵、閥等在長時間使用中出現性能衰減或管路泄露等問題，造成系統壓力明顯降低。

通過向國內某知名廠家有經驗的售后人員請教， Fmax/FO在80%以下可以滿足垃圾車長期使用的要求。對于垃圾車使用工況惡劣，路面情況復雜的地區，油缸需保證設計余量充足。

綜上所述，本文中舉升油缸Fmax/FO= 59%完全能夠滿足垃圾車長時間舉升要求。

4 結語

本文介紹的SolidWorks Motion仿真插件分析舉升油缸舉升性能的方法，可應用于研究變量隨時間變化關系或性能指標的分析中，亦可推廣到其他機構和工程機械領域中，用以分析其力、力臂、速度、加速度等在動作過程中的變化關系，從而能夠較準確地指導工程技術人員的設計工作。

[1] 江洪,陳燎,王智.SolidWorks有限元分析實例解析[M].北京:機械工業出版社,2007.

[2] 哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].北京: 高等教育出版社,1996.