某型水平垃圾压缩机上料装置的分析与优化

孟祥伟，赵宗宗，王川川，梁媛媛

（1.江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州 221004；2.徐州徐工环境技术有限公司，江苏 徐州 221004）

某型水平垃圾压缩机上料装置的分析与优化

孟祥伟1，赵宗宗2，王川川1，梁媛媛1

（1.江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州 221004；2.徐州徐工环境技术有限公司，江苏 徐州 221004）

利用pro/E机构仿真功能寻找到了垃圾压缩机上料装置的危险位置，并利用有限元分析软件ANSYS对危险位置进行了结构强度校核；在保证结构强度的前提下，对上料装置进行了以提高结构强度、减轻结构自重为目的的优化设计。

垃圾压缩机；上料装置；有限元分析；结构优化

随着我国城市化进程的加快，城市生活垃圾日产量越来越大。为了能够更好更快地处理日常城市生活垃圾，垃圾压缩机的应用越来越广泛。垃圾压缩机的主要工作是对环卫工人收集的松散垃圾进行压缩成块，然后通过转运车将压实的垃圾块转运至最终处理厂。目前各垃圾中转站应用较多的主要有水平垃圾压缩机和垂直垃圾压缩机两种，本文主要对某型水平垃圾压缩机的上料装置进行研究。

上料装置实际为一连杆机构，主要由受料斗、大连杆、小连杆、大铰支座、小铰支座与举升液压缸构成。受料斗主要起垃圾收集作用，待满斗后，在液压系统的作用下通过连杆机构将垃圾进行举升，倾倒到垃圾压缩机的压缩腔内。上料装置各机构虽然工作相对单一，但工作条件相对恶劣，因此，上料装置的强度与刚度是否满足可靠性要求，在上料装置强度与刚度满足要求的前提下，如何减轻上料装置自重，提高受料斗一次垃圾装载量等问题越显重要。

图1 铰点示意图

图2 举升液压缸受力变化曲线

图3 危险位置示意图

1 危险工况的确定

欲对上料装置进行结构分析与校核，应首先确定上料装置在整个工作循环过程中的受力最大位置，即最危险工况。为找出举升过程的最危险工况，从举升初始位置到最终位置假设垃圾均填满受料斗且不会发生洒落，此时垃圾重量按3 t计算，同时将受料斗及连杆的自身重量也考虑在内。根据举升装置的三维模型，利用pro/E中的机构仿真模块，计算出举升装置在举升过程中各铰点受力变化曲线及举升液压缸受力变化曲线。举升装置铰点示意图见图1，举升液压缸受力变化曲线见图2，篇幅限制，其他各铰点受力曲线不再给出。

根据图2及其他各铰点受力变化曲线可以得到，在8.2 s时各铰点及举升液压缸受力达到峰值，此时整个举升装置处于最危险状态。危险位置见图3，此时举升液压缸轴线与水平面夹角约为62°.

2 有限元模型的简化与加载

建立有限元计算模型时，将受料斗、大连杆、小连杆、大铰支座与小铰支座作为一体考虑，忽略非受力元件。以板厚方向的中面为基准进行建模，并忽略较小圆角、圆孔及焊接倒角等对计算结果影响不大的特征，其他细节均按原结构处理。由于该上料装置结构主要由Q345A钢板焊接成，故主要采用SHELL63壳单元，其他相对较厚的结构采用SOLID45实体单元[1]。为提高结构分析结果真实准确性，销轴铰点与液压缸分别采用MPC184与BEAM188单元模拟。离散化后，该模型共有40 008个节点，36 450个单元。

两铰支座与垃圾压缩机箱体焊接处采用全约束固定，并假设此时受料斗满载，垃圾未洒落，按满载3 t计算，同时将受料斗及连杆的自身重量也考虑在内，约束与加载示意图见图3.在如上所述的边界条件下，进行有限元计算求解。

3 计算结果分析

从危险工况各结构件应力云图4～图7可以看出，结构大部分区域的应力都较小，最大应力出现在图4的油缸铰支座处，为287.5 MPa，此处最大等效应力部位为模型简化而造成的应力集中，且面积很小，其影响可忽略。其余部件等效应力均小于许用应力，该工况下整机满足强度要求，并且设计相对保守，结构强度冗余量较大。

图4 大铰支座应力云图

图5 小铰支座应力云图

图6 大连杆应力云图

图7 小连杆应力云图

4 优化过程

鉴于上料装置结构强度冗余量较大，需要根据计算结果对结构进行调整，在保证结构强度和刚度的前提下，减轻结构自重，优化结果见表1.共对8种结构件进行了板厚调整，总计减重446.3 kg，占上料装置总重量的13.9%.对调整后的模型重新进行有限元计算求解。

表1 结构件减重结果

5 优化结果与应用实践

与优化前相比，优化后最大应力仍出现在油缸铰支座处，为287.5 MPa，此处最大等效应力部位为模型简化而造成的应力集中，且面积很小，其影响可忽略。其余部件等效应力虽都有所上升，并且上升幅度较大，但总体看均小于许用应力[2]。因此优化后该工况下整机仍满足强度要求。篇幅限制，各部件应力云图不再给出。

经过改进后的产品已经小批量投入市场，重点对上料装置的实际应用情况进行了跟踪。目前上料装置工作状况良好，未接到上料装置强度或刚度不足造成客户抱怨或其他市场问题反馈。实践证明，该优化过程可以推广到其他相关领域，具有一定的经济效益和社会效益。

6 结束语

本文利用pro/E机构仿真功能寻找到了垃圾压缩机上料装置的危险位置，并利用有限元分析软件ANSYS对危险位置进行了结构分析，分析显示，原设计强度足够，并且冗余量较大。在保证结构强度的前提下，对结构件板厚进行了优化调整，使得结构自重减轻了13.9%，优化效果明显[3]，降低了制造成本。

[1]陈树勋，李从伟，沈彦杰.某型垃圾中转站压缩机结构分析及优化设计[J].装备制造技术，2010（3）：29-31.

[2]常仁齐，孙保光，赵云亮，等.基于有限元分析的XSZ3000深井钻机井架优化设计[J].江苏建筑职业技术学院学报，2016，16（3）：32-35.

[3]邱建平.某新型垃圾中转站水平压缩机结构设计[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

孟祥伟（1984-），男，山东禹城人，工程师，硕士，主要从事环境装备产品研发工作。