拖曳式清扫车聚料装置的有限元分析

朱正东，李必文

（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳421001）

0 引言

国内外均将路面清扫作为公路日常养护作业项目的主要内容，作业标准化、工程精准化、生产绿色化是该行业的发展趋势。现行路面清扫车有纯扫式、纯吸式、吸扫式三大类型，后两者是欧美等国公路清扫的主流装备，也是主要的研究方向，这两类车具有工作速度高、环境污染小的特点，但由于设置了大功率副发动机、液力偶合器以及复杂的液压系统，只能采用工程机械专用底盘，使得车体庞大、造价高昂、能耗高企、维修困难，并不适合中国庞大的国省道及乡村道路网。“十三五”期间，由于道路基础建设速度加快，乡村环卫要求地提高，使得清扫车内需增加。同时出现了许多采用在汽车底盘上进行改装的清扫车型，其盘刷、滚扫、输送机构由液压马达带动工作，安装垃圾箱、水箱等多种配套设备。这种可同时完成地面和马路道牙边清扫等工作，适用于各种气候和不同干燥路面的清扫车是未来发展的一大方向。

某型拖曳式公路清扫车是一款具有清扫浮尘、落叶及折断树枝等大尺寸垃圾等功能的清洁机械，其性能对于城区外公路的清扫作业工况具有明显优势。螺旋叶片轴是影响清扫车能否对树枝等大尺寸垃圾具备较好破坏效果的关键零部件，也是聚料装置最重要主体结构。建立有限元分析模型，通过ANSYS有限元分析优化左右螺旋叶片轴的轴径、制造材料等，使螺旋叶片轴具有良好的性重比。

1 聚料装置有限元模型

1.1 物理模型的建立

聚料装置的主要任务是将主滚扫清扫至聚料台底板的垃圾颗粒不断的收集聚拢至波纹挡边皮带机上，同时破坏、撕裂树枝等大尺寸垃圾。聚料装置应与主滚扫密切配合，无缝作业，防止发生漏料的情况。

在国标JB/T7679-2008《螺旋输送机》[1]中对螺旋输送机的相关结构尺寸进行了规范，因此螺旋叶片轴的相关尺寸参数可依据图1进行选用。结合清扫车的实际使用需求，螺旋叶片轴的相关参数选用LS125型号的输送机尺寸。

图1 螺旋叶片轴的选用依据

螺旋叶片轴中心杆的直径可依据式1计算：

式中：d为螺旋叶片轴中心杆直径（m）；

D为螺旋叶片轴公称直径（m）。

在保证螺旋杆力学性能的前提下也可依据式2计算，以减小螺旋叶片轴中心杆直径，增大其聚料能力。

利用CATIA软件建立螺旋叶片轴折断树枝的三维模型图。树枝使用一根长为500 mm，直径为10 mm的圆柱代替。在不影响计算结果的前提下，为减少ANSYS计算时间可将聚料装置的有限元模型进一步简化，模型图如图2所示。

图2 有限元模型图

1.2 确定模型的材料属性

目前，螺旋输送机的叶片轴普遍采用的材料为304不锈钢或者Q345，对于螺旋叶片轴来说，采用304不锈钢材料主要考虑介质的腐蚀性和温度，而采用Q345材料主要考虑其抗磨性能[2]。拖曳式清扫车作业环境为国省道及乡村道路，垃圾的腐蚀性不是主要考虑因素，反而路面的小石子或者是硬度较大的树枝等易造成螺旋叶片轴的磨损，故本研究的螺旋叶片轴的一种备选材料为Q345。

依据国标JB/T7679-2008《螺旋输送机》，聚料装置的输送能力按式3计算。

式中：Iv——容积输送量；

φ——充填系数；

D——螺旋叶片轴的螺旋公称直径（m）；

S——螺距（m）；

n——螺旋叶片轴的转速（r/min）。

由式3可知，在螺旋叶片轴公称直径、螺距、转速一致的情况下，相同的充填系数，中心杆直径越小，聚料装置的输送能力越大。如若将中心杆直径缩小，必然影响螺旋叶片轴的力学性能，因此可以选用力学性能更好，成本合适的高锰钢ZGMn13作备选材料。然后利用ANSYS对采用两种材料的螺旋叶片轴分别进行有限元分析验证螺旋叶片轴对树枝的破坏效果[3]。

对于树枝模型的材料选择，在我国南方地区，非城区道路的两侧一般多为香樟树，故可将香樟树的力学性能作为模拟树枝的材料属性。

木材的主要受力成份是木纤维，沿木材生长方向，纤维的主要破坏是拉应力[4-6]，故香樟树的一般力学性能可以利用拉伸实验设备进行测试。截取香樟树一段作为实验样本，在实验前，需将实验样本进行处理以符合拉伸实验的要求，如图3（a）所示。

图3 香樟树树枝样本及应力应变曲线

经过拉伸实验，得到了香樟树的应力应变曲线拟合图，如图3（b）所示。模拟树枝的材料属性的相关参数设置将以此作为参考依据。

1.3 有限元模型网格划分及边界条件

对于外形较复杂的螺旋叶片轴，采用非结构网格划分法能得到较好的网格质量[7]。以Delaunay法为基础的非结构网格划分方法，对于三维空间中各节点和单元分布可控性效果较好，故在对螺旋叶片轴进行网格划分时采用非结构化网格。针对如圆柱体等规则形体，sweep网格计算方法有较好的划分效果，对树枝模型进行网格划分时采用sweep方式[8]。划分效果图如图4所示，该模型的网格模型的节点数为131 602，单元数为606 231。

图4 网格划分效果图

螺旋叶片轴两端采用Remote displacement来约束孔中心线的X/Y/Z方向的位移和结构绕孔中心线Y/Z轴的转动。为模拟螺旋叶片轴转动时挤压树枝的状态，在树枝下半面采用displacement位移约束。

2 聚料装置的有限元分析

2.1 不同材料的螺旋叶片轴性能分析

本文采用单一变量法进行对比分析。对于同样的树枝模型，中心杆直径按式1计算取40 mm的两螺旋叶片轴，分别加载ZGMn13材料和Q345材料，分析树枝受螺旋叶片轴挤压时的破坏效果和螺旋叶片轴的应力分布以及变形情况。

螺旋叶片轴采用ZGMn13材料时，应力分布与位移情况如图5所示。

图5 等效应力云图（上）Z向位移结果（下）

螺旋叶片轴采用Q345材料时，应力分布与位移情况如图6所示。

图6 等效应力云图（上）Z向位移结果（下）

分析发现，螺旋叶片轴采用Q345材料或者ZGMn13材料时，破坏效果明显。相比较而言，采用ZGMn13材料时切碎的树枝碎片较多且碎片在Z方向上的位移较大，表明此时树枝的破坏效果较好。同时，螺旋叶片轴上及轴径处的应力分布情况较好以及变形量也在允许的范围内。

2.2 不同轴径的螺旋叶片轴性能分析

采用同种材料不同轴径的螺旋叶片轴，轴径由式1和式2计算，两种采用ZGMn13的螺旋叶片轴的中心杆直径分别是30 mm、40 mm，取相同树枝采用单一变量法进行分析。

螺旋叶片轴中心杆直径取值30 mm时，应力与位移情况如图7所示。

图7 等效应力云图（上）Z向位移结果（下）

螺旋叶片轴中心杆直径取值40 mm时，应力与位移情况如图5所示。

由上图分析得知，在螺旋叶片轴杆径分别为30 mm、40 mm时，采用ZGMn13材料比采用Q345材料时可获得更为理想的树枝破坏效果。

3 结论

针对螺旋叶片轴ZGMn13材料杆径为30 mm时的树枝破坏效果接近于Q345材料杆径为40 mm时的效果，此时，不但可使螺旋叶片轴重量减小12%左右，同时，由聚料装置的输送能力公式3可知，使聚料装置的输送能力提高约35%，即垃圾收集聚拢的效率得到了提升。

根据ANSYS分析结果，在确保清扫要求的前提下，可为聚料装置获得较优的性重比及输送能力提供可靠依据。