一種新型垃圾桶夾持機構支撐板的設計與分析

李英明 孫 濤 李 娜 王統順 秦錄芳

（徐州工程學院 機電工程學院，徐州 221008）

目前，垃圾桶的清洗日益趨向機械化。運用機械裝置進行自動清洗更加方便，卻會遇到垃圾桶夾持不穩定、可靠性差的難題，夾持機構的可靠性會影響垃圾桶的清洗效果。夾持機構在垃圾桶的傳送模塊中是主要的承重機構，承受著垃圾桶的總重量，夾持的不牢固會導致垃圾桶的晃動，甚至出現滑脫情況。現有的夾持機構普遍采用彈簧、滑塊的共同作用達到夾持的效果[1]。

鑒于上述分析，本文設計了一種更為簡單可靠的夾持機構，并通過ABAQUS分析軟件對夾持機構的關鍵部件支撐板進行靜力分析，了解其應力及變形情況，以驗證結構的可靠性。

1 總體設計

對于垃圾桶的夾持，人們要考慮到：一是夾持機構的穩定性，要能夠保證夾持時不出現擺動的情況；二是夾持機構的可操作性，結構要簡單，便于操作；三是夾持機構的高效性，能夠保證工作時的高效率。

目前，市場上普遍生產的環衛垃圾桶前部都有專有的吊掛裝置，可供一些機械裝置夾持。因此，本文設計了一種新型的夾持機構，通過壓板與支撐板的相互作用來起到夾持的效果。壓板采用平板的結構，支撐板采用廣泛的齒式結構，剛好可以與垃圾桶的吊掛裝置相配合，支撐板下部采用尺寸較大的齒形結構，用以對垃圾桶的桶身起支撐作用。壓板與支撐板相互作用，中間用一個高彈性系數的彈簧緊拉著壓板與支撐板，這樣可以更好地固定垃圾桶。為了提高夾持機構的高效性，本文增加了壓板與支撐板的長度，采用一次性夾持兩個垃圾桶的方案，大大提高了工作效率。

1.1 總體設計尺寸

目前，城鎮環衛垃圾桶的設計已經標準化，環衛垃圾桶的尺寸要求如表1所示[2]。本文以臨沂市雙龍塑料有限公司生產的環衛垃圾桶為研究對象，選用常用的240L垃圾桶，該產品的規格是1020mm×597mm×740mm，質量是12kg。鑒于此，本文設計的壓板尺寸為1600mm×80mm×20mm，支撐板的整體尺寸為1600mm×450mm×20mm，上部均勻分布有8個長70mm、寬50mm的小齒，下部均勻分布有4個長300mm、寬175mm的大齒。

表1 環衛垃圾桶的尺寸要求

圖1 支撐板的簡化受力二維圖形

1.2 支撐板的受力分析

支撐板主要承受垃圾桶的重力和彈簧拉動壓板對支撐板的壓力，其簡化受力圖如圖1所示。將垃圾桶的吊掛部分放置在小齒上時，垃圾桶本身主要對小齒產生壓力的作用。在垃圾桶懸掛時，由于吊掛部分的伸出，所以垃圾桶和支撐板之間會有一定的傾斜角，借助三維軟件仿真垃圾桶懸掛時的狀態，發現傾角較小，因此以下計算忽略了其傾斜角的影響。在保證壓板能夠和支撐板緊密相連的情況下，本文采用高彈性系數的彈簧，該彈簧彈性系數k為6000N/m，夾持時彈簧的伸長量約為100mm。由于垃圾桶的質量一般為12kg，垃圾桶在使用后，內部會含有一些傾倒不下去的廢料，包括泥、少量污水等。經過測量，此時垃圾桶總重不超過16kg，為了保證結構的可靠性，計算時本文采用的單個垃圾桶質量為20kg。因此，支撐板承受的力和彈簧拉動壓板對支撐板的壓力分別為：

根據式（1）、式（2）計算可得：F總=1000N。

1.3 支撐板的強度校核

支撐板整體的材料選用正火處理后的45號鋼，該材料的屈服強度δ0.2≥355MPa，安全系數n=1.5～2.5，許用應力|δ|≥142MPa，伸長率為16%，斷面收縮率為40%[3]。

對于支撐板上部的小齒部分進行強度校核，圖2為小齒受力分析圖。

圖2 小齒受力分析圖

圖3 支撐板的整體受力簡圖

對于支撐板的整體，可以簡化成懸臂梁式結構進行分析，總受力可以簡化，如圖3所示。支撐板的剪力圖和彎矩圖如圖4、圖5所示。由圖2和圖3可得：

圖4 支撐板的剪力圖

圖5 支撐板的彎矩圖

2 基于ABAQUS的零部件分析

支撐板在整個夾持機構中起著至關重要的作用，其性能決定著整個夾持機構性能。就支撐板的整體而言，夾持垃圾桶的力主要集中在小齒部分，對齒形部分進行有限元分析至關重要，可以定量獲得應力和變形值，為結構的可靠性提供理論依據。本文采用ABAQUS6.13對夾持機構的支撐板進行應力、應變和位移分析。

2.1 支撐板的有限元模型

支撐板材料采用正火處理后的45號鋼，該材料密度為ρ=7.81×103kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.28。在有限元分析前需要對模型進行必要的簡化，忽略其他結構，簡化后支撐板主要結構模型如圖6所示。

圖6 支撐板的實體模型

2.2 定義邊界條件與施加載荷

支撐板是主要承重件，其采用平面定位[4]。所以，在編輯邊界條件時，本文采用ENCASTRE，約束了其所有的自由度，如圖7所示。支撐板小齒部分主要承受垃圾桶在豎直方向上的力，由上述受力分析可知，小齒的上部承受載荷約為0.03571MPa，對其施加均布載荷如圖8所示。

圖7 邊界條件的定義

圖8 施加的載荷

2.3 模型的網格劃分

網格劃分是決定分析精度的重要環節[5]。對支撐板結構的網格劃分影響著分析的結果。由于該支撐板的模型較為復雜，為了避免使用分割操作而導致的工作量增加和人工操作可能引起的誤差，本文采用二次四面體單元進行網格劃分，如圖9所示[6]。網格的大小影響著分析的精度，如圖10所示，本文對其種子大小采用15，最終劃分好的網格模型如圖11所示。

圖9 網格模型

圖10 布種子

2.4 靜力學分析結果

經過ABAQUS的靜力分析，支撐板的應力云圖、應變云圖、位移云圖分別如圖12、圖13和圖14所示。由應力云圖可知，支撐板承受的最大應力為0.4117MPa。由應變云圖可知，支撐板的最大應變在齒根部，其值為2.056×10-6。由位移云圖可知，其最大位移量是在大齒部，為1.084×10-3mm。

圖11 網格劃分的模型

圖12 應力云圖

圖13 應變云圖

圖14 位移云圖

3 結論

本文對支撐板開展了有限元分析，結果表明，支撐板承受的最大應力為0.4117MPa，遠小于材料自身的許用應力，所以設計的支撐板強度在安全范圍內；支撐板的最大應變在齒根部，其值為2.056×10-6，支撐板的變形量在允許范圍之內；其最大位移量在大齒部，為1.084×10-3mm，顯然在允許范圍內，驗證了該結構整體的安全可靠性。