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：2022-11-28 19:18:35 物理畢業(yè)論文我要投稿

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　　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)律和各鉸接點的載荷曲線，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(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：

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