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连体垃圾压缩箱进料系统设计方案的分析

作者:东风四通时间:2020-01-16136 次浏览

信息摘要:

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

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。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

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3.1确定初步方案

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

3.2.1机构运动的确定

机构的自由度计算公式为:F=3n-2PL-PH在机构中,进料斗、拉杆、翻转臂是活动构件,则n=3,连杆采用销轴链接,运动副为低副,则PL=4,机构没有高副,则PH=0,故该机构的自由度: F=3n-2PL-PH=3×3-2×4=1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α(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α范围为(-0.4°-88°)。使用SOLIDWORDS软件的“方程式”命令,选择以翻转臂的翻转角度α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α连续增大或减小,来模拟机构运动情况。若翻转角度α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α的值即为死点时的翻转角度。

以α=-0.4为初始值,给出关系式“α=α+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α=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“α=α-1”,可得到下死点的角度(-49°)。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α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α=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。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。         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

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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α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。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)。

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375~460MPa ,翻转臂满足使用要求。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,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。