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垃圾壓縮機壓縮機構的動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化設計
摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了垃圾壓縮機及其壓縮機構的組成和工作原理，建立了垃圾壓縮機壓縮機構的三維模型，運用機械系統動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對該機構進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，得到垃圾壓縮機壓縮機構主要運動(dòng)部件的運動(dòng)規律和各鉸接點(diǎn)的載荷曲線(xiàn)，驗證了油缸選型的正確性，為壓縮機構的結構優(yōu)化設計提供了重要參數。利用有限元分析軟件，對推鏟進(jìn)行結構優(yōu)化計算，使得推鏟總質(zhì)量得到顯著(zhù)降低。
關(guān)鍵詞： 壓縮機構;動(dòng)態(tài)仿真;優(yōu)化;ADAMS
引言
通過(guò)使用垃圾壓縮機可以提高垃圾回收效率，在城市垃圾處理過(guò)程中，垃圾壓縮機是非常重要的一種環(huán)衛工具，其使用相對簡(jiǎn)單，作業(yè)效率高，在垃圾處理方面，正在發(fā)揮著(zhù)日益重要的作用[1]。
1、壓縮機構的組成及工作原理
1.1 壓縮機構的組成 垃圾壓縮機壓縮機構由廂體、液壓油缸、上滑板、下滑板以及推鏟五部分組成。液壓油缸缸筒通過(guò)固定鉸鉸接于焊接在廂體上的安裝座上，液壓油缸桿通過(guò)活動(dòng)較與推鏟鉸接，上滑板和下滑板通過(guò)自身滑塊套裝在廂體上的滑槽中。壓縮機構的組成如圖1所示。
1.2 壓縮機構的工作原理 垃圾壓縮機的壓縮機構可以簡(jiǎn)化為一個(gè)平面機構，在該機構中，液壓油缸為壓縮機構提供驅動(dòng)力，推動(dòng)推鏟在廂體內往復滑動(dòng)。參考圖1中A向視圖放大部分，推鏟頂部突出的擋塊與下滑板下部突出的擋板相互配合，使得推鏟在往復運動(dòng)過(guò)程中，帶動(dòng)下滑板在一定行程之內于廂體的滑槽中往復滑動(dòng)。同理，下滑板頂部突出的擋塊與上滑板下部突出的擋板相互配合，使得下滑板在往復運動(dòng)過(guò)程中，帶動(dòng)上滑板在一定行程之內于廂體的滑槽中往復滑動(dòng)。以廂體作為機架，略去上滑板和下滑板的壓縮機構的機構運動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。
2、ADAMS仿真模型的建立
2.1 壓縮機構三維實(shí)體模型 在本文的研究中，主要是通過(guò)Solidworks進(jìn)行建模。建模過(guò)程遵循壓縮機構自身的原理結構，采用自下至頂方法，通過(guò)建立各部件的三維實(shí)體模型，并通過(guò)裝配完成該機構的整體建模[2-5]，如圖3所示。
2.2 壓縮機構ADAMS仿真模型 將Solidworks中建立的壓縮機構三維實(shí)體模型導入ADAMS中，設置好單位和重力加速度以及各構件的材料和顏色，并添加運動(dòng)副、驅動(dòng)和推鏟所受的垃圾載荷。完成上述前處理后，得到裝載機構的ADAMS仿真模型如圖4所示。
根據壓縮機構實(shí)際應用情況，液壓油缸驅動(dòng)采用Step位移函數添加在液壓油缸缸筒與缸桿之間的滑移副上，用以控制油缸行程和往復動(dòng)作時(shí)間[6]，驅動(dòng)函數為：
STEP(time，0，0，31，550)+STEP(time，31，0，34，0)+STEP(time，34，0，55，-550)
根據壓縮機構實(shí)際運行情況，確定推鏟受垃圾反作用力函數，亦采用Step函數：
STEP(time，0，0，31，294200)+STEP(time，31，0，34，0)+STEP(time，34，0，36，-294200)
3、壓縮機構的動(dòng)力學(xué)仿真分析
3.1 壓縮機構動(dòng)力學(xué)仿真 在A(yíng)DAMS中采用交互式仿真分析模式，將仿真類(lèi)型設置為動(dòng)力學(xué)仿真(Dynamic)，設置仿真時(shí)間(End Time)為55s，仿真步數(Steps)30000。運行模型仿真[7-10]，仿真過(guò)程中的動(dòng)畫(huà)截圖如圖5所示。
3.2 壓縮機構計算結果分析 在A(yíng)DAMS/Postprocessor模塊中得到壓縮機構各測量結果曲線(xiàn)如圖7-圖11所示。
從圖6中可知推鏟在達到最大行程時(shí)，液壓油缸載荷最大，為2.1×105N，此時(shí)對應的油缸夾角大小為43.9°。
推鏟運行的平穩性是衡量壓縮機構壓縮性能的重要依據，通過(guò)測量得到推鏟質(zhì)心運動(dòng)的速度與加速度曲線(xiàn)如圖7、8所示，從圖7、8可以看出推鏟運動(dòng)最大速度為75mm/s，最大加速度21.5/s2。推鏟運行較為平穩，但存在驟然啟、停特性，因此應該在推鏟推出和退回到位位置增加減震措施，以減少壓縮機構各組件間的沖擊。
4、推鏟有限元分析及結構優(yōu)化
4.1 推鏟有限元分析 在HyperMesh中，經(jīng)有限元分析，推鏟在極限工況下的位移和應力分布情況如圖9和圖10所示。[11]
從得到的極限工況下推鏟的應力云圖與位移云圖中可以看出，在極限工況時(shí)，推鏟最大位移出現在W型板的較大斜面上，其值為1.345mm，而推鏟絕大部分區域結構應力值均在1.0×102MPa以下，在材料許可應力范圍之內，初步判斷該推鏟結構能滿(mǎn)足使用要求，但仍可以進(jìn)行結構優(yōu)化，適當減小結構應力較小部位的鋼板厚度，同時(shí)調整推鏟各部位形位參數，以減輕推鏟總質(zhì)量。
4.2 推鏟結構優(yōu)化及改進(jìn)后有限元分析 由于推鏟長(cháng)期工作在有腐蝕性液體的惡劣環(huán)境中，且長(cháng)時(shí)間與廂體摩擦，因此推鏟所用材料在設計時(shí)除考慮自身強度和剛度，滿(mǎn)足結構應力要求外，還應考慮推鏟所用材料的腐蝕和磨耗。因此，在對推鏟進(jìn)行結構優(yōu)化時(shí)，要根據有限元分析結果，并結合其實(shí)際運行情況，合理降低用鋼厚度。
經(jīng)有限元分析，得到結構優(yōu)化后推鏟極限工況的位移和應力分布情況如圖11和圖12所示。
4.3 推鏟結構優(yōu)化前后結果對比分析 推鏟結構優(yōu)化前后的結果對比，如表1所示。
從表1中可以看出，雖然推鏟在極限工況下最大應力有所增加，但其最大結構應力在材料許用應力范圍之內，推鏟結構能滿(mǎn)足使用要求，且優(yōu)化后推鏟總質(zhì)量得到顯著(zhù)的降低，降低幅度達14.3%。
5、結束語(yǔ)
在本文的研究中，主要是使用機械系統動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，建立了垃圾壓縮機壓縮機構的虛擬樣機模型，并在此基礎上，對其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，得到其主要運動(dòng)部件的運動(dòng)規律和液壓油缸的載荷曲線(xiàn)，驗證了油缸選型的正確性，并為壓縮機構中推鏟的有限元分析提供了重要參數，通過(guò)推鏟有限元分析及結構優(yōu)化，使得推鏟總質(zhì)量得到顯著(zhù)降低，對相關(guān)研究具有一定的借鑒意義。
參考文獻：
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[9]MSC公司.ADAMS/Solver軟件手冊.
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[11]王鈺棟，等.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實(shí)例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012，8：1-4.
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