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垃圾壓縮機壓縮機構的動力學仿真與優化設計
摘要：本文簡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，運用機械系統動力學分析軟件ADAMS對該機構進行動態仿真分析，得到垃圾壓縮機壓縮機構主要運動部件的運動規律和各鉸接點的載荷曲線，驗證了油缸選型的正確性，為壓縮機構的結構優化設計提供了重要參數。利用有限元分析軟件，對推鏟進行結構優化計算，使得推鏟總質量得到顯著降低。
關鍵詞： 壓縮機構;動態仿真;優化;ADAMS
引言
通過使用垃圾壓縮機可以提高垃圾回收效率，在城市垃圾處理過程中，垃圾壓縮機是非常重要的一種環衛工具，其使用相對簡單，作業效率高，在垃圾處理方面，正在發揮著日益重要的作用[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。液壓油缸缸筒通過固定鉸鉸接于焊接在廂體上的安裝座上，液壓油缸桿通過活動較與推鏟鉸接，上滑板和下滑板通過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化為一個平面機構，在該機構中，液壓油缸為壓縮機構提供驅動力，推動推鏟在廂體內往復滑動。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過程中，帶動下滑板在一定行程之內于廂體的滑槽中往復滑動。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過程中，帶動上滑板在一定行程之內于廂體的滑槽中往復滑動。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簡圖如圖2所示。
2、ADAMS仿真模型的建立
2.1 壓縮機構三維實體模型 在本文的研究中，主要是通過Solidworks進行建模。建模過程遵循壓縮機構自身的原理結構，采用自下至頂方法，通過建立各部件的三維實體模型，并通過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，并添加運動副、驅動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。
根據壓縮機構實際應用情況，液壓油缸驅動采用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作時間[6]，驅動函數為：
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、壓縮機構的動力學仿真分析
3.1 壓縮機構動力學仿真 在ADAMS中采用交互式仿真分析模式，將仿真類型設置為動力學仿真(Dynamic)，設置仿真時間(End Time)為55s，仿真步數(Steps)30000。運行模型仿真[7-10]，仿真過程中的動畫截圖如圖5所示。
3.2 壓縮機構計算結果分析 在ADAMS/Postprocessor模塊中得到壓縮機構各測量結果曲線如圖7-圖11所示。
從圖6中可知推鏟在達到最大行程時，液壓油缸載荷最大，為2.1×105N，此時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，通過測量得到推鏟質心運動的速度與加速度曲線如圖7、8所示，從圖7、8可以看出推鏟運動最大速度為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化
4.1 推鏟有限元分析 在HyperMesh中，經有限元分析，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，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足使用要求，但仍可以進行結構優化，適當減小結構應力較小部位的鋼板厚度，同時調整推鏟各部位形位參數，以減輕推鏟總質量。
4.2 推鏟結構優化及改進后有限元分析 由于推鏟長期工作在有腐蝕性液體的惡劣環境中，且長時間與廂體摩擦，因此推鏟所用材料在設計時除考慮自身強度和剛度，滿足結構應力要求外，還應考慮推鏟所用材料的腐蝕和磨耗。因此，在對推鏟進行結構優化時，要根據有限元分析結果，并結合其實際運行情況，合理降低用鋼厚度。
經有限元分析，得到結構優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 推鏟結構優化前后結果對比分析 推鏟結構優化前后的結果對比，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，推鏟結構能滿足使用要求，且優化后推鏟總質量得到顯著的降低，降低幅度達14.3%。
5、結束語
在本文的研究中，主要是使用機械系統動力學仿真軟件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，對其進行了動態仿真分析，得到其主要運動部件的運動規律和液壓油缸的載荷曲線，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，通過推鏟有限元分析及結構優化，使得推鏟總質量得到顯著降低，對相關研究具有一定的借鑒意義。
參考文獻：
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[2]陳立平，張云清，任衛群，等.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.
[3]郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008，6.
[4]張策.機械動力學[M].北京：高等教育出版社，2008，1.
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[8]MSC公司.ADAMS/View軟件手冊.
[9]MSC公司.ADAMS/Solver軟件手冊.
[10]MSC公司.ADAMS/PostProcessor軟件手冊.
[11]王鈺棟，等.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社，2012，8：1-4.
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