拖曳式清掃車聚料裝置的有限元分析

朱正東，李必文

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽421001）

0 引言

國內外均將路面清掃作為公路日常養護作業項目的主要內容，作業標準化、工程精準化、生產綠色化是該行業的發展趨勢。現行路面清掃車有純掃式、純吸式、吸掃式三大類型，后兩者是歐美等國公路清掃的主流裝備，也是主要的研究方向，這兩類車具有工作速度高、環境污染小的特點，但由于設置了大功率副發動機、液力偶合器以及復雜的液壓系統，只能采用工程機械專用底盤，使得車體龐大、造價高昂、能耗高企、維修困難，并不適合中國龐大的國省道及鄉村道路網。“十三五”期間，由于道路基礎建設速度加快，鄉村環衛要求地提高，使得清掃車內需增加。同時出現了許多采用在汽車底盤上進行改裝的清掃車型，其盤刷、滾掃、輸送機構由液壓馬達帶動工作，安裝垃圾箱、水箱等多種配套設備。這種可同時完成地面和馬路道牙邊清掃等工作，適用于各種氣候和不同干燥路面的清掃車是未來發展的一大方向。

某型拖曳式公路清掃車是一款具有清掃浮塵、落葉及折斷樹枝等大尺寸垃圾等功能的清潔機械，其性能對于城區外公路的清掃作業工況具有明顯優勢。螺旋葉片軸是影響清掃車能否對樹枝等大尺寸垃圾具備較好破壞效果的關鍵零部件，也是聚料裝置最重要主體結構。建立有限元分析模型，通過ANSYS有限元分析優化左右螺旋葉片軸的軸徑、制造材料等，使螺旋葉片軸具有良好的性重比。

1 聚料裝置有限元模型

1.1 物理模型的建立

聚料裝置的主要任務是將主滾掃清掃至聚料臺底板的垃圾顆粒不斷的收集聚攏至波紋擋邊皮帶機上，同時破壞、撕裂樹枝等大尺寸垃圾。聚料裝置應與主滾掃密切配合，無縫作業，防止發生漏料的情況。

在國標JB/T7679-2008《螺旋輸送機》[1]中對螺旋輸送機的相關結構尺寸進行了規范，因此螺旋葉片軸的相關尺寸參數可依據圖1進行選用。結合清掃車的實際使用需求，螺旋葉片軸的相關參數選用LS125型號的輸送機尺寸。

圖1 螺旋葉片軸的選用依據

螺旋葉片軸中心桿的直徑可依據式1計算：

式中：d為螺旋葉片軸中心桿直徑（m）；

D為螺旋葉片軸公稱直徑（m）。

在保證螺旋桿力學性能的前提下也可依據式2計算，以減小螺旋葉片軸中心桿直徑，增大其聚料能力。

利用CATIA軟件建立螺旋葉片軸折斷樹枝的三維模型圖。樹枝使用一根長為500 mm，直徑為10 mm的圓柱代替。在不影響計算結果的前提下，為減少ANSYS計算時間可將聚料裝置的有限元模型進一步簡化，模型圖如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

1.2 確定模型的材料屬性

目前，螺旋輸送機的葉片軸普遍采用的材料為304不銹鋼或者Q345，對于螺旋葉片軸來說，采用304不銹鋼材料主要考慮介質的腐蝕性和溫度，而采用Q345材料主要考慮其抗磨性能[2]。拖曳式清掃車作業環境為國省道及鄉村道路，垃圾的腐蝕性不是主要考慮因素，反而路面的小石子或者是硬度較大的樹枝等易造成螺旋葉片軸的磨損，故本研究的螺旋葉片軸的一種備選材料為Q345。

依據國標JB/T7679-2008《螺旋輸送機》，聚料裝置的輸送能力按式3計算。

式中：Iv——容積輸送量；

φ——充填系數；

D——螺旋葉片軸的螺旋公稱直徑（m）；

S——螺距（m）；

n——螺旋葉片軸的轉速（r/min）。

由式3可知，在螺旋葉片軸公稱直徑、螺距、轉速一致的情況下，相同的充填系數，中心桿直徑越小，聚料裝置的輸送能力越大。如若將中心桿直徑縮小，必然影響螺旋葉片軸的力學性能，因此可以選用力學性能更好，成本合適的高錳鋼ZGMn13作備選材料。然后利用ANSYS對采用兩種材料的螺旋葉片軸分別進行有限元分析驗證螺旋葉片軸對樹枝的破壞效果[3]。

對于樹枝模型的材料選擇，在我國南方地區，非城區道路的兩側一般多為香樟樹，故可將香樟樹的力學性能作為模擬樹枝的材料屬性。

木材的主要受力成份是木纖維，沿木材生長方向，纖維的主要破壞是拉應力[4-6]，故香樟樹的一般力學性能可以利用拉伸實驗設備進行測試。截取香樟樹一段作為實驗樣本，在實驗前，需將實驗樣本進行處理以符合拉伸實驗的要求，如圖3（a）所示。

圖3 香樟樹樹枝樣本及應力應變曲線

經過拉伸實驗，得到了香樟樹的應力應變曲線擬合圖，如圖3（b）所示。模擬樹枝的材料屬性的相關參數設置將以此作為參考依據。

1.3 有限元模型網格劃分及邊界條件

對于外形較復雜的螺旋葉片軸，采用非結構網格劃分法能得到較好的網格質量[7]。以Delaunay法為基礎的非結構網格劃分方法，對于三維空間中各節點和單元分布可控性效果較好，故在對螺旋葉片軸進行網格劃分時采用非結構化網格。針對如圓柱體等規則形體，sweep網格計算方法有較好的劃分效果，對樹枝模型進行網格劃分時采用sweep方式[8]。劃分效果圖如圖4所示，該模型的網格模型的節點數為131 602，單元數為606 231。

圖4 網格劃分效果圖

螺旋葉片軸兩端采用Remote displacement來約束孔中心線的X/Y/Z方向的位移和結構繞孔中心線Y/Z軸的轉動。為模擬螺旋葉片軸轉動時擠壓樹枝的狀態，在樹枝下半面采用displacement位移約束。

2 聚料裝置的有限元分析

2.1 不同材料的螺旋葉片軸性能分析

本文采用單一變量法進行對比分析。對于同樣的樹枝模型，中心桿直徑按式1計算取40 mm的兩螺旋葉片軸，分別加載ZGMn13材料和Q345材料，分析樹枝受螺旋葉片軸擠壓時的破壞效果和螺旋葉片軸的應力分布以及變形情況。

螺旋葉片軸采用ZGMn13材料時，應力分布與位移情況如圖5所示。

圖5 等效應力云圖（上）Z向位移結果（下）

螺旋葉片軸采用Q345材料時，應力分布與位移情況如圖6所示。

圖6 等效應力云圖（上）Z向位移結果（下）

分析發現，螺旋葉片軸采用Q345材料或者ZGMn13材料時，破壞效果明顯。相比較而言，采用ZGMn13材料時切碎的樹枝碎片較多且碎片在Z方向上的位移較大，表明此時樹枝的破壞效果較好。同時，螺旋葉片軸上及軸徑處的應力分布情況較好以及變形量也在允許的范圍內。

2.2 不同軸徑的螺旋葉片軸性能分析

采用同種材料不同軸徑的螺旋葉片軸，軸徑由式1和式2計算，兩種采用ZGMn13的螺旋葉片軸的中心桿直徑分別是30 mm、40 mm，取相同樹枝采用單一變量法進行分析。

螺旋葉片軸中心桿直徑取值30 mm時，應力與位移情況如圖7所示。

圖7 等效應力云圖（上）Z向位移結果（下）

螺旋葉片軸中心桿直徑取值40 mm時，應力與位移情況如圖5所示。

由上圖分析得知，在螺旋葉片軸桿徑分別為30 mm、40 mm時，采用ZGMn13材料比采用Q345材料時可獲得更為理想的樹枝破壞效果。

3 結論

針對螺旋葉片軸ZGMn13材料桿徑為30 mm時的樹枝破壞效果接近于Q345材料桿徑為40 mm時的效果，此時，不但可使螺旋葉片軸重量減小12%左右，同時，由聚料裝置的輸送能力公式3可知，使聚料裝置的輸送能力提高約35%，即垃圾收集聚攏的效率得到了提升。

根據ANSYS分析結果，在確保清掃要求的前提下，可為聚料裝置獲得較優的性重比及輸送能力提供可靠依據。