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1、連體垃圾壓縮箱進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的分析張存明(深圳東風(fēng)汽車(chē)有限公司 廣東深圳 518109)摘要:產(chǎn)品設(shè)計(jì)初步方案確定后,對(duì)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和強(qiáng)度分析,以驗(yàn)證方案的合理性,提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率。關(guān)鍵詞: solidworks 運(yùn)動(dòng)分析 受力計(jì)算 強(qiáng)度分析1 前言連體垃圾壓縮箱(簡(jiǎn)稱(chēng)連體箱)是一種收集、壓縮及轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾的新型環(huán)衛(wèi)設(shè)備,其進(jìn)料系統(tǒng)的性能影響該設(shè)備的使用效果和壽命,需在設(shè)計(jì)初期對(duì)其進(jìn)行分析,以確保設(shè)備的正常使用。本文以作者主持開(kāi)發(fā)的連體箱的進(jìn)料系統(tǒng)為例,著重介紹設(shè)計(jì)初期,初步方案確定后,利用solidworks(機(jī)械設(shè)計(jì)三維軟件)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析,并對(duì)重要零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核,從理論上驗(yàn)證方案
2、的合理性,減少設(shè)計(jì)成本,縮短產(chǎn)品驗(yàn)證周期,提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率。 2 進(jìn)料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理連體箱進(jìn)料系統(tǒng)主要由進(jìn)料斗、翻轉(zhuǎn)臂、拉桿、銷(xiāo)軸、液壓系統(tǒng)等部件組成(圖1)。進(jìn)料斗是垃圾轉(zhuǎn)載裝置,并可繞箱體前部固定點(diǎn)(a點(diǎn))旋轉(zhuǎn),翻轉(zhuǎn)臂一端固定在箱體上,一端通過(guò)拉桿與進(jìn)料斗鏈接,并帶動(dòng)進(jìn)料斗旋轉(zhuǎn),各部分的鏈接均使用銷(xiāo)軸鏈接,液壓系統(tǒng)為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源,為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)動(dòng)動(dòng)力。圖1 進(jìn)料系統(tǒng)組成圖該系統(tǒng)屬于四連桿機(jī)構(gòu),利用連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)進(jìn)料斗傾翻功能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)垃圾的裝載。進(jìn)行裝載時(shí),垃圾收集車(chē)將運(yùn)輸來(lái)的垃圾傾倒在進(jìn)料斗內(nèi),啟動(dòng)操作開(kāi)關(guān),油缸伸長(zhǎng),推動(dòng)翻轉(zhuǎn)臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn),從而通過(guò)拉桿帶動(dòng)進(jìn)料斗向上旋轉(zhuǎn),將
3、垃圾傾倒在箱體投料口內(nèi)(圖1),完畢后,油缸回收,使進(jìn)料斗恢復(fù)原位,進(jìn)行下一次裝載工作。 3 設(shè)計(jì)方案分析3.1確定初步方案圖2 solidworks簡(jiǎn)易模型依據(jù)產(chǎn)品工作要求和公司現(xiàn)有產(chǎn)品狀態(tài),確定初步方案:進(jìn)料斗參照壓縮式垃圾車(chē)eq5070zyss3翻轉(zhuǎn)斗進(jìn)行設(shè)計(jì),裝載垃圾時(shí),進(jìn)料斗水平放置在地面上,裝載到位時(shí)底板與地面平行,即進(jìn)料斗底板翻轉(zhuǎn)180度。拉桿材料初選為方通, 裝載到位時(shí)呈水平狀態(tài)。翻轉(zhuǎn)臂采用鋼板焊接而成。依據(jù)箱體的結(jié)構(gòu)形式,初步確定垃圾斗、翻轉(zhuǎn)臂在箱體上的固定點(diǎn)(點(diǎn)a、b),將進(jìn)料斗簡(jiǎn)化為桿件,并利用solidworks(機(jī)械設(shè)計(jì)軟件)建立機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易模型(圖2)3.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析
4、3.2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的確定機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式為:f3n2plph在機(jī)構(gòu)中,進(jìn)料斗、拉桿、翻轉(zhuǎn)臂是活動(dòng)構(gòu)件,則n3,連桿采用銷(xiāo)軸鏈接,運(yùn)動(dòng)副為低副,則pl=4,機(jī)構(gòu)沒(méi)有高副,則ph0,故該機(jī)構(gòu)的自由度: f3n2plph33241在機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易模型,翻轉(zhuǎn)臂受油缸作用,帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目為:n=1根據(jù)機(jī)械原理,機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件為:機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的數(shù)目等于原動(dòng)件的數(shù)目。該機(jī)構(gòu)的自由度等于原動(dòng)件的數(shù)目(f=n),故該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是確定的,即翻轉(zhuǎn)臂可以旋轉(zhuǎn)。3.2.2確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)死點(diǎn) 四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),往往會(huì)存在有死點(diǎn)的現(xiàn)象,有時(shí)只有一個(gè),但多數(shù)有兩個(gè)死點(diǎn)(即上死點(diǎn)和下死點(diǎn)),機(jī)構(gòu)到達(dá)死點(diǎn)時(shí),會(huì)使
5、整個(gè)機(jī)構(gòu)損壞,使機(jī)構(gòu)不能連續(xù)運(yùn)動(dòng),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),需避免死點(diǎn)出現(xiàn)在所需的運(yùn)動(dòng)角度范圍之內(nèi)。在該機(jī)構(gòu)模型中,翻轉(zhuǎn)臂受油缸作用,帶動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),翻轉(zhuǎn)臂為機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件,以翻轉(zhuǎn)臂與水平線的翻轉(zhuǎn)角度(如圖3所示)作為研究對(duì)象,根據(jù)垃圾斗裝載的兩個(gè)極限位置,利用cad軟件做圖,可得到翻轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn)角度范圍為(-0.4-88)。 圖3 翻轉(zhuǎn)角度的下限和上限 使用solidwords軟件的“方程式”命令,選擇以翻轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn)角度為驅(qū)動(dòng)尺寸,通過(guò)增加“關(guān)系”約束,利用“重生成”命令,使翻轉(zhuǎn)角度連續(xù)增大或減小,來(lái)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況。若翻轉(zhuǎn)角度變化為某一值時(shí),機(jī)構(gòu)模型斷裂,即不能生成模型,則此時(shí)的翻轉(zhuǎn)角度的值即為死點(diǎn)時(shí)的
6、翻轉(zhuǎn)角度。以=-0.4為初始值,給出關(guān)系式“=+1”,即翻轉(zhuǎn)角度每次增加1度,使機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)臂每次重生成時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一度,按此旋轉(zhuǎn)模擬時(shí),在=112時(shí),機(jī)構(gòu)模型出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,即112為上死點(diǎn)的角度(圖4)。同理,給出關(guān)系式“=-1”,可得到下死點(diǎn)的角度(-49)。 圖4 下、上死點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)角度上死點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)角度(112)大于88,而下死點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)角度(-49)小于-0.4,即上、下死點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)角度不在該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)角度之內(nèi),故機(jī)構(gòu)能夠在使用要求下正常運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),并建立機(jī)構(gòu)的solidworks三維模型。3.3機(jī)構(gòu)的受力計(jì)算和強(qiáng)度分析機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,其各個(gè)構(gòu)件會(huì)受到各種力的作用,在這
7、些力的作用下,機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能會(huì)受到影響,需對(duì)機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析。本機(jī)構(gòu)由于運(yùn)轉(zhuǎn)速度低,慣性力的影響不大,故對(duì)機(jī)構(gòu)只進(jìn)行靜力分析。3.3.1各構(gòu)件的受力計(jì)算本機(jī)構(gòu)的受力如圖5所示。在solidworks三維模型中,選擇以翻轉(zhuǎn)臂的翻轉(zhuǎn)角度為驅(qū)動(dòng)尺寸,來(lái)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況。此機(jī)構(gòu),進(jìn)料斗由兩個(gè)機(jī)構(gòu)帶動(dòng),以便裝載垃圾。在本文中,假設(shè)兩個(gè)機(jī)構(gòu)平均承載重力g。以圖5所示的裝載狀態(tài)為例,即當(dāng)=20時(shí),來(lái)計(jì)算機(jī)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的受力。已知進(jìn)料斗和垃圾的重力g=13kn。由于重力g為已知條件,故先從進(jìn)料斗開(kāi)始受力計(jì)算。 圖5 機(jī)構(gòu)的受力圖參數(shù)說(shuō)明:g:進(jìn)料斗和垃圾的重力 f1:拉桿在c點(diǎn)對(duì)進(jìn)料斗的作用力f2:拉桿在
8、d點(diǎn)對(duì)翻轉(zhuǎn)臂的作用力 f3:箱體在a點(diǎn)對(duì)進(jìn)料斗的作用力 f4:油缸對(duì)翻轉(zhuǎn)臂的作用力 f5:箱體在b點(diǎn)對(duì)翻轉(zhuǎn)臂的作用力進(jìn)料斗受力計(jì)算:圖6為進(jìn)料斗的受力圖。進(jìn)料斗受三個(gè)作用力:g,f1,f3。作用力g的作用點(diǎn)為垃圾斗和垃圾重力的作用點(diǎn)(中心位置可在solidworks直接查詢(xún),此處不再詳述),方向?yàn)樨Q直向下。作用力f1作用點(diǎn)為a點(diǎn),由于拉桿為二力桿,故方向沿點(diǎn)c和點(diǎn)d的連線。作用力f3作用點(diǎn)為a點(diǎn),依據(jù)理論力學(xué)中三力平衡匯交定理,f3方向通過(guò)g和f1的交點(diǎn)j1。 圖6 進(jìn)料斗的受力圖 l1:作用力g對(duì)點(diǎn)a的力臂 l2:作用力f1對(duì)點(diǎn)a的力臂 l3:作用力g對(duì)點(diǎn)c的力臂 l4:作用力f3對(duì)點(diǎn)c的力
9、臂 將solidworks三維模型轉(zhuǎn)化成solidworks工程圖,可在工程圖圖中直接測(cè)量力臂l1、l2、l3、l4,測(cè)量值如圖6所示。以點(diǎn)a為轉(zhuǎn)動(dòng)中心,依據(jù)力矩平衡原理,則g/2xl1=f1xl2同理,以點(diǎn)c為轉(zhuǎn)動(dòng)中心,依據(jù)力矩平衡原理,則 g/2xl3=f3xl4可得 f1= g/2xl1/l2=13.9kn f3= g/2xl3/l4=7.9kn 拉桿受力計(jì)算: 拉桿受2個(gè)作用力:進(jìn)料斗的作用力和翻轉(zhuǎn)臂的作用力,作用點(diǎn)分別為c點(diǎn)和d點(diǎn)。這兩個(gè)力分別為f1和f2的反向作用力,依據(jù)二力平衡公理,這兩個(gè)力:方向沿兩力作用點(diǎn)的連線,且等值、反向。故得f2=f1= 13.9kn 翻轉(zhuǎn)臂受力計(jì)算:圖
10、7為翻轉(zhuǎn)臂的受力圖。翻轉(zhuǎn)臂受三個(gè)作用力:f2,f4,f5。作用力f2的作用點(diǎn)為a點(diǎn),方向沿點(diǎn)c和點(diǎn)d的連線。作用力f4作用點(diǎn)為翻轉(zhuǎn)臂的油缸固定座(點(diǎn)e),方向沿油缸運(yùn)動(dòng)方向。作用力f5作用點(diǎn)為b點(diǎn),依據(jù)理論力學(xué)中三力平衡匯交定理,f3方向通過(guò)f2和f4的交點(diǎn)j2。 l5:作用力f2對(duì)點(diǎn)b的力臂 圖7 翻轉(zhuǎn)臂的受力圖 l6:作用力f4對(duì)點(diǎn)b的力臂 l7:作用力f2對(duì)點(diǎn)e的力臂 l8:作用力f5對(duì)點(diǎn)e的力臂將solidworks三維模型轉(zhuǎn)化成solidworks工程圖,可在工程圖中直接測(cè)量力臂l5、l6、l7、l8,測(cè)量值如圖10所示。以點(diǎn)b為轉(zhuǎn)動(dòng)中心,依據(jù)力矩平衡原理,則f2xl5=f4xl6同
11、理,以點(diǎn)e為轉(zhuǎn)動(dòng)中心,依據(jù)力矩平衡原理,則 f2xl7=f5xl8 由于f2=f1,將公式(1)帶入以上,可得 f4= g/2xl1xl5/(l6*l2) =72.1kn f5= g/2xl1xl7/(l8*l2) =69.7kn d 依據(jù)a、b、c計(jì)算方法,可計(jì)算為不同值時(shí)的f1f5的值。表1為計(jì)算結(jié)果。 表1 作用力f1f5的計(jì)算值計(jì)算結(jié)果已知條件:g=13kn 單位:knaf1f2f3f4f5-0.47.3 7.3 5.8 24.6 18.4 58.7 8.7 4.9 34.1 27.7 1010.3 10.3 4.6 46.2 39.9 1512.1 12.1 5.7 59.7 54.
12、5 2013.9 13.9 7.9 72.1 69.7 2514.7 14.7 10.1 76.2 77.1 3013.5 13.5 11.0 44.6 71.1 3510.3 10.3 9.9 48.2 53.0 406.5 6.5 8.3 29.4 33.1 453.1 3.1 7.0 14.3 16.2 500.8 0.8 6.5 3.9 4.4 550.90.9 6.5 5.2 5.7 602.2 2.2 6.6 13.0 14.2 653.3 3.3 7.0 21.7 23.4 703.9 3.9 7.3 30.1 31.7 754.64.6 7.7 39.6 41.2 805.3
13、5.38.2 51.7 52.7 855.9 5.95.3 66.5 67.3 886.3 6.3 9.0 70.2 70.2 3.3.2翻轉(zhuǎn)臂的強(qiáng)度分析在該機(jī)構(gòu)中,翻轉(zhuǎn)臂是原動(dòng)件,需有足夠的強(qiáng)度。本文使用solidworks進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算 。如圖8所示,翻轉(zhuǎn)臂以b點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn),當(dāng)以b點(diǎn)為固定點(diǎn),且為鉸鏈鏈接時(shí),翻轉(zhuǎn)臂的所受的作用力為f2和f4.,根據(jù)表1查詢(xún),可知當(dāng)翻轉(zhuǎn)角度為25時(shí),f2和f4的值最大,分別為14.7kn和76.2kn,則以此角度時(shí)的工作狀態(tài)來(lái)計(jì)算翻轉(zhuǎn)臂的應(yīng)力。圖8 翻轉(zhuǎn)臂的受力和約束簡(jiǎn)圖 按照?qǐng)D8所示,對(duì)翻轉(zhuǎn)臂模型進(jìn)行加載約束和載荷,生成翻轉(zhuǎn)臂solidworks有限元模型,然
14、后對(duì)其劃分網(wǎng)格。采用二階實(shí)體四面體單元分網(wǎng),是solidworks來(lái)對(duì)有限元模型劃分網(wǎng)格的常用方法,單元網(wǎng)格劃分越細(xì)密,計(jì)算機(jī)運(yùn)行精度越高,但計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng).根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),b點(diǎn)處的固定板有應(yīng)力集中的現(xiàn)象,故劃分網(wǎng)格時(shí),b點(diǎn)處適當(dāng)加密網(wǎng)格,而兩側(cè)面板劃分時(shí)適當(dāng)疏一些。網(wǎng)格劃分成功后,進(jìn)行結(jié)果運(yùn)算,得到應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(圖9)。如圖9所示,翻轉(zhuǎn)臂的最大應(yīng)力為341.5mpa, 翻轉(zhuǎn)臂使用材料為碳鋼q235,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),查得碳鋼q235的抗拉強(qiáng)度為375460mpa ,翻轉(zhuǎn)臂滿足使用要求。圖9 翻轉(zhuǎn)臂的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果4結(jié)束語(yǔ)介紹了產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期階段,對(duì)初步方案的分析方法和步驟,在實(shí)際工作中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),只有在理論上驗(yàn)證方案的合理性,才能提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率,減少產(chǎn)品驗(yàn)證周期和試制生產(chǎn)成本,采用本文論述的分析方法設(shè)計(jì)的該產(chǎn)品,自2009年5月投放市場(chǎng)以來(lái),使用效果很好,贏得客戶的好評(píng),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn)1 孫訓(xùn)方.材料力學(xué). 北京:高等教育出版社.2002.2 陳長(zhǎng)征.理論力學(xué).北京:科學(xué)出版社,2004.3 王文斌.
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