某型水平垃圾壓縮機上料裝置的分析與優化

孟祥偉，趙宗宗，王川川，梁媛媛

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2.徐州徐工環境技術有限公司，江蘇 徐州 221004）

某型水平垃圾壓縮機上料裝置的分析與優化

孟祥偉1，趙宗宗2，王川川1，梁媛媛1

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2.徐州徐工環境技術有限公司，江蘇 徐州 221004）

利用pro/E機構仿真功能尋找到了垃圾壓縮機上料裝置的危險位置，并利用有限元分析軟件ANSYS對危險位置進行了結構強度校核；在保證結構強度的前提下，對上料裝置進行了以提高結構強度、減輕結構自重為目的的優化設計。

垃圾壓縮機；上料裝置；有限元分析；結構優化

隨著我國城市化進程的加快，城市生活垃圾日產量越來越大。為了能夠更好更快地處理日常城市生活垃圾，垃圾壓縮機的應用越來越廣泛。垃圾壓縮機的主要工作是對環衛工人收集的松散垃圾進行壓縮成塊，然后通過轉運車將壓實的垃圾塊轉運至最終處理廠。目前各垃圾中轉站應用較多的主要有水平垃圾壓縮機和垂直垃圾壓縮機兩種，本文主要對某型水平垃圾壓縮機的上料裝置進行研究。

上料裝置實際為一連桿機構，主要由受料斗、大連桿、小連桿、大鉸支座、小鉸支座與舉升液壓缸構成。受料斗主要起垃圾收集作用，待滿斗后，在液壓系統的作用下通過連桿機構將垃圾進行舉升，傾倒到垃圾壓縮機的壓縮腔內。上料裝置各機構雖然工作相對單一，但工作條件相對惡劣，因此，上料裝置的強度與剛度是否滿足可靠性要求，在上料裝置強度與剛度滿足要求的前提下，如何減輕上料裝置自重，提高受料斗一次垃圾裝載量等問題越顯重要。

圖1 鉸點示意圖

圖2 舉升液壓缸受力變化曲線

圖3 危險位置示意圖

1 危險工況的確定

欲對上料裝置進行結構分析與校核，應首先確定上料裝置在整個工作循環過程中的受力最大位置，即最危險工況。為找出舉升過程的最危險工況，從舉升初始位置到最終位置假設垃圾均填滿受料斗且不會發生灑落，此時垃圾重量按3 t計算，同時將受料斗及連桿的自身重量也考慮在內。根據舉升裝置的三維模型，利用pro/E中的機構仿真模塊，計算出舉升裝置在舉升過程中各鉸點受力變化曲線及舉升液壓缸受力變化曲線。舉升裝置鉸點示意圖見圖1，舉升液壓缸受力變化曲線見圖2，篇幅限制，其他各鉸點受力曲線不再給出。

根據圖2及其他各鉸點受力變化曲線可以得到，在8.2 s時各鉸點及舉升液壓缸受力達到峰值，此時整個舉升裝置處于最危險狀態。危險位置見圖3，此時舉升液壓缸軸線與水平面夾角約為62°.

2 有限元模型的簡化與加載

建立有限元計算模型時，將受料斗、大連桿、小連桿、大鉸支座與小鉸支座作為一體考慮，忽略非受力元件。以板厚方向的中面為基準進行建模，并忽略較小圓角、圓孔及焊接倒角等對計算結果影響不大的特征，其他細節均按原結構處理。由于該上料裝置結構主要由Q345A鋼板焊接成，故主要采用SHELL63殼單元，其他相對較厚的結構采用SOLID45實體單元[1]。為提高結構分析結果真實準確性，銷軸鉸點與液壓缸分別采用MPC184與BEAM188單元模擬。離散化后，該模型共有40 008個節點，36 450個單元。

兩鉸支座與垃圾壓縮機箱體焊接處采用全約束固定，并假設此時受料斗滿載，垃圾未灑落，按滿載3 t計算，同時將受料斗及連桿的自身重量也考慮在內，約束與加載示意圖見圖3.在如上所述的邊界條件下，進行有限元計算求解。

3 計算結果分析

從危險工況各結構件應力云圖4～圖7可以看出，結構大部分區域的應力都較小，最大應力出現在圖4的油缸鉸支座處，為287.5 MPa，此處最大等效應力部位為模型簡化而造成的應力集中，且面積很小，其影響可忽略。其余部件等效應力均小于許用應力，該工況下整機滿足強度要求，并且設計相對保守，結構強度冗余量較大。

圖4 大鉸支座應力云圖

圖5 小鉸支座應力云圖

圖6 大連桿應力云圖

圖7 小連桿應力云圖

4 優化過程

鑒于上料裝置結構強度冗余量較大，需要根據計算結果對結構進行調整，在保證結構強度和剛度的前提下，減輕結構自重，優化結果見表1.共對8種結構件進行了板厚調整，總計減重446.3 kg，占上料裝置總重量的13.9%.對調整后的模型重新進行有限元計算求解。

表1 結構件減重結果

5 優化結果與應用實踐

與優化前相比，優化后最大應力仍出現在油缸鉸支座處，為287.5 MPa，此處最大等效應力部位為模型簡化而造成的應力集中，且面積很小，其影響可忽略。其余部件等效應力雖都有所上升，并且上升幅度較大，但總體看均小于許用應力[2]。因此優化后該工況下整機仍滿足強度要求。篇幅限制，各部件應力云圖不再給出。

經過改進后的產品已經小批量投入市場，重點對上料裝置的實際應用情況進行了跟蹤。目前上料裝置工作狀況良好，未接到上料裝置強度或剛度不足造成客戶抱怨或其他市場問題反饋。實踐證明，該優化過程可以推廣到其他相關領域，具有一定的經濟效益和社會效益。

6 結束語

本文利用pro/E機構仿真功能尋找到了垃圾壓縮機上料裝置的危險位置，并利用有限元分析軟件ANSYS對危險位置進行了結構分析，分析顯示，原設計強度足夠，并且冗余量較大。在保證結構強度的前提下，對結構件板厚進行了優化調整，使得結構自重減輕了13.9%，優化效果明顯[3]，降低了制造成本。

[1]陳樹勛，李從偉，沈彥杰.某型垃圾中轉站壓縮機結構分析及優化設計[J].裝備制造技術，2010（3）：29-31.

[2]常仁齊，孫保光，趙云亮，等.基于有限元分析的XSZ3000深井鉆機井架優化設計[J].江蘇建筑職業技術學院學報，2016，16（3）：32-35.

[3]邱建平.某新型垃圾中轉站水平壓縮機結構設計[J].大科技，2011（12）：425-426.

Structure Analysis and Optimization for a Feeding Device of a Horizontal Refuse Compressor

MENG Xiang-wei1，ZHAO Zong-zong2，WANG Chuan-chuan1，LIANG Yuan-yuan1
（1.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institude，Xuzhou Jiangsu 221004，China；2.XCMG Environment Technology Co.，Ltd.，Xuzhou Jiangsu 221004，China）

The most dangerous condition of the feeding device was found by using pro/E-mechanism.Finite element analysis for the most dangerous position of the feeding device was checked via ANSYS.Based on finite element analysis，optimization design aimed at increasing intensity and decreasing mass for the feeding device of a horizontal refuse compressor was carried out.

refuse compressor；feeding device；finite element analysis；structure optimization design

TH122

A

1672-545X（2017）10-0030-03

2017-07-14

孟祥偉（1984-），男，山東禹城人，工程師，碩士，主要從事環境裝備產品研發工作。