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1、连体垃圾压缩箱进料系统设计方案的分析张存明（深圳东风汽车有限公司 广东深圳 518109）摘要：产品设计初步方案确定后，对方案进行运动分析和强度分析，以验证方案的合理性，提高设计的准确率。关键词： SolidWorks 运动分析 受力计算 强度分析1 前言连体垃圾压缩箱（简称连体箱）是一种收集、压缩及转运垃圾的新型环卫设备，其进料系统的性能影响该设备的使用效果和寿命，需在设计初期对其进行分析，以确保设备的正常使用。本文以作者主持开发的连体箱的进料系统为例，着重介绍设计初期，初步方案确定后，利用SolidWorks（机械设计三维软件）进行机构运动分析，并对重要零部件进行强度校核，从理论上验证方案
2、的合理性，减少设计成本，缩短产品验证周期，提高设计的准确率。 2 进料系统的结构与工作原理连体箱进料系统主要由进料斗、翻转臂、拉杆、销轴、液压系统等部件组成（图1）。进料斗是垃圾转载装置，并可绕箱体前部固定点（A点）旋转,翻转臂一端固定在箱体上，一端通过拉杆与进料斗链接，并带动进料斗旋转，各部分的链接均使用销轴链接，液压系统为机构的动力源，为机构运动提供运动动力。图1 进料系统组成图该系统属于四连杆机构,利用连杆机构运动原理实现进料斗倾翻功能,进而实现垃圾的装载。进行装载时,垃圾收集车将运输来的垃圾倾倒在进料斗内，启动操作开关,油缸伸长,推动翻转臂顺时针旋转,从而通过拉杆带动进料斗向上旋转,将
3、垃圾倾倒在箱体投料口内(图1),完毕后，油缸回收,使进料斗恢复原位,进行下一次装载工作。 3 设计方案分析3.1确定初步方案图2 SolidWorks简易模型依据产品工作要求和公司现有产品状态，确定初步方案：进料斗参照压缩式垃圾车EQ5070ZYSS3翻转斗进行设计,装载垃圾时,进料斗水平放置在地面上,装载到位时底板与地面平行，即进料斗底板翻转180度。拉杆材料初选为方通, 装载到位时呈水平状态。翻转臂采用钢板焊接而成。依据箱体的结构形式,初步确定垃圾斗、翻转臂在箱体上的固定点（点A、B），将进料斗简化为杆件，并利用SolidWorks（机械设计软件）建立机构简易模型（图2）3.2机构运动分析
4、3.2.1机构运动的确定机构的自由度计算公式为：F3n2PLPH在机构中，进料斗、拉杆、翻转臂是活动构件，则n3，连杆采用销轴链接，运动副为低副，则PL=4,机构没有高副，则PH0，故该机构的自由度： F3n2PLPH33241在机构简易模型，翻转臂受油缸作用，带动机构运动，机构的原动件数目为：N=1根据机械原理，机构具有确定运动的条件为：机构原动件的数目等于原动件的数目。该机构的自由度等于原动件的数目（F=N）,故该机构运动是确定的，即翻转臂可以旋转。3.2.2确定机构运动死点 四连杆机构运动时，往往会存在有死点的现象，有时只有一个，但多数有两个死点（即上死点和下死点），机构到达死点时，会使
5、整个机构损坏，使机构不能连续运动，在产品设计时，需避免死点出现在所需的运动角度范围之内。在该机构模型中，翻转臂受油缸作用，带动机构旋转运动，翻转臂为机构的原动件，以翻转臂与水平线的翻转角度（如图3所示）作为研究对象，根据垃圾斗装载的两个极限位置，利用CAD软件做图，可得到翻转臂的翻转角度范围为（-0.4-88）。 图3 翻转角度的下限和上限 使用SOLIDWORDS软件的“方程式”命令，选择以翻转臂的翻转角度为驱动尺寸，通过增加“关系”约束，利用“重生成”命令，使翻转角度连续增大或减小，来模拟机构运动情况。若翻转角度变化为某一值时，机构模型断裂，即不能生成模型，则此时的翻转角度的值即为死点时的
6、翻转角度。以=-0.4为初始值，给出关系式“=+1”,即翻转角度每次增加1度，使机构的翻转臂每次重生成时顺时针旋转一度，按此旋转模拟时，在=112时，机构模型出现断裂现象，即112为上死点的角度（图4）。同理，给出关系式“=-1”，可得到下死点的角度（-49）。 图4 下、上死点的翻转角度上死点的翻转角度（112）大于88，而下死点的翻转角度（-49）小于-0.4，即上、下死点的翻转角度不在该机构的运动翻转角度之内，故机构能够在使用要求下正常运动。在此基础上进行详细设计，并建立机构的SolidWorks三维模型。3.3机构的受力计算和强度分析机构在运动过程中，其各个构件会受到各种力的作用，在这
7、些力的作用下，机构的运动性能会受到影响，需对机构的受力情况进行分析。本机构由于运转速度低，惯性力的影响不大，故对机构只进行静力分析。3.3.1各构件的受力计算本机构的受力如图5所示。在SolidWorks三维模型中，选择以翻转臂的翻转角度为驱动尺寸，来模拟机构运动情况。此机构，进料斗由两个机构带动，以便装载垃圾。在本文中，假设两个机构平均承载重力G。以图5所示的装载状态为例，即当=20时，来计算机构各个构件的受力。已知进料斗和垃圾的重力G=13KN。由于重力G为已知条件，故先从进料斗开始受力计算。 图5 机构的受力图参数说明:G：进料斗和垃圾的重力 F1：拉杆在C点对进料斗的作用力F2：拉杆在
8、D点对翻转臂的作用力 F3：箱体在A点对进料斗的作用力 F4：油缸对翻转臂的作用力 F5：箱体在B点对翻转臂的作用力进料斗受力计算：图6为进料斗的受力图。进料斗受三个作用力：G，F1，F3。作用力G的作用点为垃圾斗和垃圾重力的作用点（中心位置可在SolidWorks直接查询，此处不再详述），方向为竖直向下。作用力F1作用点为A点，由于拉杆为二力杆，故方向沿点C和点D的连线。作用力F3作用点为A点，依据理论力学中三力平衡汇交定理，F3方向通过G和F1的交点J1。 图6 进料斗的受力图 L1：作用力G对点A的力臂 L2：作用力F1对点A的力臂 L3：作用力G对点C的力臂 L4：作用力F3对点C的力
9、臂 将SolidWorks三维模型转化成SolidWorks工程图，可在工程图图中直接测量力臂L1、L2、L3、L4，测量值如图6所示。以点A为转动中心，依据力矩平衡原理，则G/2XL1=F1XL2同理，以点C为转动中心，依据力矩平衡原理，则 G/2XL3=F3XL4可得 F1= G/2XL1/L2=13.9KN F3= G/2XL3/L4=7.9KN 拉杆受力计算： 拉杆受2个作用力：进料斗的作用力和翻转臂的作用力，作用点分别为C点和D点。这两个力分别为F1和F2的反向作用力，依据二力平衡公理，这两个力：方向沿两力作用点的连线，且等值、反向。故得F2=F1= 13.9KN 翻转臂受力计算：图
10、7为翻转臂的受力图。翻转臂受三个作用力：F2，F4，F5。作用力F2的作用点为A点，方向沿点C和点D的连线。作用力F4作用点为翻转臂的油缸固定座(点E)，方向沿油缸运动方向。作用力F5作用点为B点，依据理论力学中三力平衡汇交定理，F3方向通过F2和F4的交点J2。 L5：作用力F2对点B的力臂 图7 翻转臂的受力图 L6：作用力F4对点B的力臂 L7：作用力F2对点E的力臂 L8：作用力F5对点E的力臂将SolidWorks三维模型转化成SolidWorks工程图，可在工程图中直接测量力臂L5、L6、L7、L8，测量值如图10所示。以点B为转动中心，依据力矩平衡原理，则F2XL5=F4XL6同
11、理，以点E为转动中心，依据力矩平衡原理，则 F2XL7=F5XL8 由于F2=F1,将公式（1）带入以上,可得 F4= G/2XL1XL5/(L6*L2) =72.1KN F5= G/2XL1XL7/(L8*L2) =69.7KN d 依据a、b、c计算方法,可计算为不同值时的F1F5的值。表1为计算结果。 表1 作用力F1F5的计算值计算结果已知条件：G=13kN 单位：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翻转臂的强度分析在该机构中，翻转臂是原动件，需有足够的强度。本文使用SolidWorks进行应力计算 。如图8所示，翻转臂以B点为旋转点，当以B点为固定点，且为铰链链接时，翻转臂的所受的作用力为F2和F4.，根据表1查询，可知当翻转角度为25时，F2和F4的值最大，分别为14.7KN和76.2KN,则以此角度时的工作状态来计算翻转臂的应力。图8 翻转臂的受力和约束简图 按照图8所示,对翻转臂模型进行加载约束和载荷，生成翻转臂SolidWorks有限元模型，然
14、后对其划分网格。采用二阶实体四面体单元分网,是SolidWorks来对有限元模型划分网格的常用方法,单元网格划分越细密,计算机运行精度越高,但计算的时间越长.根据实际经验,B点处的固定板有应力集中的现象,故划分网格时,B点处适当加密网格,而两侧面板划分时适当疏一些。网格划分成功后，进行结果运算，得到应力计算结果（图9）。如图9所示，翻转臂的最大应力为341.5MPa, 翻转臂使用材料为碳钢Q235，根据机械设计手册，查得碳钢Q235的抗拉强度为375460MPa ，翻转臂满足使用要求。图9 翻转臂的应力计算结果4结束语介绍了产品设计初期阶段，对初步方案的分析方法和步骤，在实际工作中，产品设计时
15、，只有在理论上验证方案的合理性，才能提高设计的准确率，减少产品验证周期和试制生产成本，采用本文论述的分析方法设计的该产品，自2009年5月投放市场以来，使用效果很好，赢得客户的好评，取得了良好的经济效益。 参考文献1 孙训方.材料力学. 北京:高等教育出版社.2002.2 陈长征.理论力学.北京:科学出版社，2004.3 王文斌.机械设计手册.北京:机械工业出版社,2004.4 孙桓.机械原理（第六版）.北京:高等教育出版社，2000.5 叶修梓. SolidWorks基础教程（第1版）.北京: 机械工业出版社,2009.作者简介：张存明，男，1976年6月5日生，1998年毕业于吉林工业大学，本科。现供职于深圳东风汽车有限公司，任技术中心环卫设备室主任，主任级工程师，主要从事环卫设备的开发与研究。地址为：广东省深圳市宝安区龙华镇龙观东路66号龙华汽车站对面，邮编：518109，