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      2. 垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的動力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計

        時間:2024-07-01 11:17:39 物理畢業(yè)論文 我要投稿
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        垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的動力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計

          摘要:本文簡要介紹了垃圾壓縮機及其壓縮機構(gòu)的組成和工作原理,建立了垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的三維模型,運用機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS對該機構(gòu)進行動態(tài)仿真分析,得到垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)主要運動部件的運動規(guī)律和各接點的載荷曲線,驗證了油缸選型的正確性,為壓縮機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了重要參數(shù)。利用有限元分析軟件,對推鏟進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算,使得推鏟總質(zhì)量得到顯著降低。

        垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的動力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計

          關(guān)鍵詞: 壓縮機構(gòu);動態(tài)仿真;優(yōu)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(huán)衛(wèi)工具,其使用相對簡單,作業(yè)效率高,在垃圾處理方面,正在發(fā)揮著日益重要的作用[1]。

          1、壓縮機構(gòu)的組成及工作原理

          1.1 壓縮機構(gòu)的組成 垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)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(gòu)的組成如圖1所示。

          1.2 壓縮機構(gòu)的工作原理 垃圾壓縮機的壓縮機構(gòu)可以簡化為一個平面機構(gòu),在該機構(gòu)中,液壓油缸為壓縮機構(gòu)提供驅(qū)動力,推動推鏟在廂體內(nèi)往復(fù)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(fù)運動過程中,帶動下滑板在一定行程之內(nèi)于廂體的滑槽中往復(fù)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(fù)運動過程中,帶動上滑板在一定行程之內(nèi)于廂體的滑槽中往復(fù)滑動。以廂體作為機架,略去上滑板和下滑板的壓縮機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖如圖2所示。

          2、ADAMS仿真模型的建立

          2.1 壓縮機構(gòu)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(gòu)自身的原理結(jié)構(gòu),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(gòu)的整體建模[2-5],如圖3所示。

          2.2 壓縮機構(gòu)ADAMS仿真模型 將Solidworks中建立的壓縮機構(gòu)三維實體模型導(dǎo)入ADAMS中,設(shè)置好單位和重力加速度以及各構(gòu)件的材料和顏色,并添加運動副、驅(qū)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(gòu)的ADAMS仿真模型如圖4所示。

          根據(jù)壓縮機構(gòu)實際應(yīng)用情況,液壓油缸驅(qū)動采用Step位移函數(shù)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(fù)動作時間[6],驅(qū)動函數(shù)為:

          STEP(time,0,0,31,550)+STEP(time,31,0,34,0)+STEP(time,34,0,55,-550)

          根據(jù)壓縮機構(gòu)實際運行情況,確定推鏟受垃圾反作用力函數(shù),亦采用Step函數(shù):

          STEP(time,0,0,31,294200)+STEP(time,31,0,34,0)+STEP(time,34,0,36,-294200)

          3、壓縮機構(gòu)的動力學(xué)仿真分析

          3.1 壓縮機構(gòu)動力學(xué)仿真 在ADAMS中采用交互式仿真分析模式,將仿真類型設(shè)置為動力學(xué)仿真(Dynamic),設(shè)置仿真時間(End Time)為55s,仿真步數(shù)(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(gòu)計算結(jié)果分析 在ADAMS/Postprocessor模塊中得到壓縮機構(gòu)各測量結(jié)果曲線如圖7-圖11所示。

          從圖6中可知推鏟在達(dá)到最大行程時,液壓油缸載荷最大,為2.1×105N,此時對應(yīng)的油缸夾角大小為43.9°。

          推鏟運行的平穩(wěn)性是衡量壓縮機構(gòu)壓縮性能的重要依據(jù),通過測量得到推鏟質(zhì)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(wěn),但存在驟然啟、停特性,因此應(yīng)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(gòu)各組件間的沖擊。

          4、推鏟有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

          4.1 推鏟有限元分析 在HyperMesh中,經(jīng)有限元分析,推鏟在極限工況下的位移和應(yīng)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(yīng)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(xiàn)在W型板的較大斜面上,其值為1.345mm,而推鏟絕大部分區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均在1.0×102MPa以下,在材料許可應(yīng)力范圍之內(nèi),初步判斷該推鏟結(jié)構(gòu)能滿足使用要求,但仍可以進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小部位的鋼板厚度,同時調(diào)整推鏟各部位形位參數(shù),以減輕推鏟總質(zhì)量。

          4.2 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)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(huán)境中,且長時間與廂體摩擦,因此推鏟所用材料在設(shè)計時除考慮自身強度和剛度,滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求外,還應(yīng)考慮推鏟所用材料的腐蝕和磨耗。因此,在對推鏟進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時,要根據(jù)有限元分析結(jié)果,并結(jié)合其實際運行情況,合理降低用鋼厚度。

          經(jīng)有限元分析,得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后推鏟極限工況的位移和應(yīng)力分布情況如圖11和圖12所示。

          4.3 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后結(jié)果對比分析 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的結(jié)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(yīng)力有所增加,但其最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi),推鏟結(jié)構(gòu)能滿足使用要求,且優(yōu)化后推鏟總質(zhì)量得到顯著的降低,降低幅度達(dá)14.3%。

          5、結(jié)束語

          在本文的研究中,主要是使用機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS,建立了垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的虛擬樣機模型,并在此基礎(chǔ)上,對其進行了動態(tài)仿真分析,得到其主要運動部件的運動規(guī)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(gòu)中推鏟的有限元分析提供了重要參數(shù),通過推鏟有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使得推鏟總質(zhì)量得到顯著降低,對相關(guān)研究具有一定的借鑒意義。

          參考文獻(xiàn):

          [1]梁光明.拉臂式垃圾車?yán)蹤C構(gòu)動力學(xué)仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

          [2]陳立平,張云清,任衛(wèi)群,等.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

          [3]郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008,6.

          [4]張策.機械動力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008,1.

          [5]金先龍.集裝箱運輸車自卸機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析[J].專用汽車,2001,22(2):24-27.

          [6]洪嘉振.多體系統(tǒng)動力學(xué)理論、計算方法和應(yīng)用[M].上海:上海交大出版社,2003.

          [7]王曉,黃宗益,汪洪.旋轉(zhuǎn)式拉臂車優(yōu)化設(shè)計[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2003(9):1077-1081.

          [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(yīng)用技巧與高級實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012,8:1-4.

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            垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的動力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計

              摘要:本文簡要介紹了垃圾壓縮機及其壓縮機構(gòu)的組成和工作原理,建立了垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的三維模型,運用機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS對該機構(gòu)進行動態(tài)仿真分析,得到垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)主要運動部件的運動規(guī)律和各接點的載荷曲線,驗證了油缸選型的正確性,為壓縮機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了重要參數(shù)。利用有限元分析軟件,對推鏟進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算,使得推鏟總質(zhì)量得到顯著降低。

            垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的動力學(xué)仿真與優(yōu)化設(shè)計

              關(guān)鍵詞: 壓縮機構(gòu);動態(tài)仿真;優(yōu)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(huán)衛(wèi)工具,其使用相對簡單,作業(yè)效率高,在垃圾處理方面,正在發(fā)揮著日益重要的作用[1]。

              1、壓縮機構(gòu)的組成及工作原理

              1.1 壓縮機構(gòu)的組成 垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)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(gòu)的組成如圖1所示。

              1.2 壓縮機構(gòu)的工作原理 垃圾壓縮機的壓縮機構(gòu)可以簡化為一個平面機構(gòu),在該機構(gòu)中,液壓油缸為壓縮機構(gòu)提供驅(qū)動力,推動推鏟在廂體內(nèi)往復(fù)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(fù)運動過程中,帶動下滑板在一定行程之內(nèi)于廂體的滑槽中往復(fù)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(fù)運動過程中,帶動上滑板在一定行程之內(nèi)于廂體的滑槽中往復(fù)滑動。以廂體作為機架,略去上滑板和下滑板的壓縮機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖如圖2所示。

              2、ADAMS仿真模型的建立

              2.1 壓縮機構(gòu)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(gòu)自身的原理結(jié)構(gòu),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(gòu)的整體建模[2-5],如圖3所示。

              2.2 壓縮機構(gòu)ADAMS仿真模型 將Solidworks中建立的壓縮機構(gòu)三維實體模型導(dǎo)入ADAMS中,設(shè)置好單位和重力加速度以及各構(gòu)件的材料和顏色,并添加運動副、驅(qū)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(gòu)的ADAMS仿真模型如圖4所示。

              根據(jù)壓縮機構(gòu)實際應(yīng)用情況,液壓油缸驅(qū)動采用Step位移函數(shù)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(fù)動作時間[6],驅(qū)動函數(shù)為:

              STEP(time,0,0,31,550)+STEP(time,31,0,34,0)+STEP(time,34,0,55,-550)

              根據(jù)壓縮機構(gòu)實際運行情況,確定推鏟受垃圾反作用力函數(shù),亦采用Step函數(shù):

              STEP(time,0,0,31,294200)+STEP(time,31,0,34,0)+STEP(time,34,0,36,-294200)

              3、壓縮機構(gòu)的動力學(xué)仿真分析

              3.1 壓縮機構(gòu)動力學(xué)仿真 在ADAMS中采用交互式仿真分析模式,將仿真類型設(shè)置為動力學(xué)仿真(Dynamic),設(shè)置仿真時間(End Time)為55s,仿真步數(shù)(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(gòu)計算結(jié)果分析 在ADAMS/Postprocessor模塊中得到壓縮機構(gòu)各測量結(jié)果曲線如圖7-圖11所示。

              從圖6中可知推鏟在達(dá)到最大行程時,液壓油缸載荷最大,為2.1×105N,此時對應(yīng)的油缸夾角大小為43.9°。

              推鏟運行的平穩(wěn)性是衡量壓縮機構(gòu)壓縮性能的重要依據(jù),通過測量得到推鏟質(zhì)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(wěn),但存在驟然啟、停特性,因此應(yīng)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(gòu)各組件間的沖擊。

              4、推鏟有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

              4.1 推鏟有限元分析 在HyperMesh中,經(jīng)有限元分析,推鏟在極限工況下的位移和應(yīng)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(yīng)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(xiàn)在W型板的較大斜面上,其值為1.345mm,而推鏟絕大部分區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均在1.0×102MPa以下,在材料許可應(yīng)力范圍之內(nèi),初步判斷該推鏟結(jié)構(gòu)能滿足使用要求,但仍可以進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小部位的鋼板厚度,同時調(diào)整推鏟各部位形位參數(shù),以減輕推鏟總質(zhì)量。

              4.2 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)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(huán)境中,且長時間與廂體摩擦,因此推鏟所用材料在設(shè)計時除考慮自身強度和剛度,滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求外,還應(yīng)考慮推鏟所用材料的腐蝕和磨耗。因此,在對推鏟進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時,要根據(jù)有限元分析結(jié)果,并結(jié)合其實際運行情況,合理降低用鋼厚度。

              經(jīng)有限元分析,得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化后推鏟極限工況的位移和應(yīng)力分布情況如圖11和圖12所示。

              4.3 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后結(jié)果對比分析 推鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的結(jié)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(yīng)力有所增加,但其最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力在材料許用應(yīng)力范圍之內(nèi),推鏟結(jié)構(gòu)能滿足使用要求,且優(yōu)化后推鏟總質(zhì)量得到顯著的降低,降低幅度達(dá)14.3%。

              5、結(jié)束語

              在本文的研究中,主要是使用機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS,建立了垃圾壓縮機壓縮機構(gòu)的虛擬樣機模型,并在此基礎(chǔ)上,對其進行了動態(tài)仿真分析,得到其主要運動部件的運動規(guī)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(gòu)中推鏟的有限元分析提供了重要參數(shù),通過推鏟有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使得推鏟總質(zhì)量得到顯著降低,對相關(guān)研究具有一定的借鑒意義。

              參考文獻(xiàn):

              [1]梁光明.拉臂式垃圾車?yán)蹤C構(gòu)動力學(xué)仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

              [2]陳立平,張云清,任衛(wèi)群,等.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

              [3]郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008,6.

              [4]張策.機械動力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008,1.

              [5]金先龍.集裝箱運輸車自卸機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析[J].專用汽車,2001,22(2):24-27.

              [6]洪嘉振.多體系統(tǒng)動力學(xué)理論、計算方法和應(yīng)用[M].上海:上海交大出版社,2003.

              [7]王曉,黃宗益,汪洪.旋轉(zhuǎn)式拉臂車優(yōu)化設(shè)計[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2003(9):1077-1081.

              [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.

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