沈磊，李明林

(1. 福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350116； 2. 福建省高端装备制造协同创新中心，福建 福州 350116)

0 引言

移动分体式垃圾压缩站因其举升机构可配套多个压缩箱体，垃圾处理效率较高，正逐渐为国内生产企业和用户所接受和推广。 目前已有文献针对移动连体式垃圾压缩站的举升机构开展了动力学仿真和优化研究。廖林清等[1]对连体式垃圾压缩站举升机构进行了动力学分析，并且以液压缸的驱动载荷最大值为优化目标完成了结构优化设计，使得液压缸驱动载荷最大值较优化前降低了10.7%。贺磊等[2]基于ADAMS对举升机构进行动力学仿真分析，并且以垃圾翻斗质心加速度最大值的最小化为优化目标进行了动力学优化。然而，这些文献仅涉及移动连体式垃圾压缩站的举升机构，针对移动分体式垃圾压缩站举升机构的研究则未见文献报道。

本文建立移动分体式垃圾压缩站举升机构的二维简图。基于ADAMS软件对其动力学性能进行仿真分析，以举升机构的杆件连接点坐标为设计变量，以液压杆驱动功率最大值的最小化为优化目标函数，对其进行机构动力学优化设计。在获得优化的机构参数后，针对工况严峻的时刻，基于ANSYS有限元软件对其结构强度进行了模拟分析。分析结果可为该类垃圾压缩站举升机构的结构设计提供必要的理论依据。

1 举升机构的动力学优化

1.1 举升机构结构介绍

移动分体式垃圾压缩站举升机构包含：料斗、厢体以及对称布置在料斗及厢体两侧的拉杆、主动臂、液压缸等5部分。其液压缸铰接在箱体底座上，主动臂两端分别铰接在箱体底座和料斗上，拉杆两端分别与料斗和箱体底座铰接。

举升机构可以简化为四连杆机构，如图1所示。图中AE为主动臂的简化模型，DF为拉杆，EF为料斗，而AD为箱体底座。其中，主动臂与拉杆分别对应四连杆机构的摆杆，而料斗对应与四连杆机构的连杆。

图1中实线构型为举升机构的初始装料位置，此时料斗置于平地。虚线构型为卸料位置，此时料斗与压缩箱体并不贴合。

1—主动臂AE；2—液压缸BC；3—拉杆DF；4—料斗EF；5—箱体底座AD图1 举升机构结构简图

在举升机构的运动周期内，其液压缸驱动载荷需要先充压至一定的数值，装满垃圾的料斗才开始脱离地面。当料斗升起后，液压缸在初始行程中，为机构提供推力。液压缸的推力先是缓慢增加，达到最大值后，缓慢减少，随后迅速衰减到0 N，表明此时负载主要由举升机构的其他构件承载。之后，液压缸的驱动力变为拉力，并随着垃圾卸载完毕，液压缸的驱动力随之减为0 N。

采用ADAMS软件建立举升机构的仿真模型。举升机构各组成部分的尺寸为：液压缸长度500 mm，液压杆长度600 mm，主动臂长度1 700 mm，拉杆长度1 000 mm。此外，机构杆件的模型尺寸除厚度和宽度以外都按照实际尺寸进行设计。液压缸选用HSG-G80/40×370型，缸径为80 mm，杆径为40 mm，最大行程为370 mm。

1.2 确定目标函数及约束条件

目标函数的建立需要选取设计中最为重要的设计目标作为目标函数，否则，设计将会偏离目标。此外，目标函数必须具有一定的灵敏度。否则，将难以完成寻优[3]考虑到液压缸所能承受的最大载荷关系到整个举升机构的结构强度和承载，举升机构的驱动功率则直接对应着其工作时的能耗。而此前的研究成果表明，以驱动功率最大值的最小化为目标函数的机构动力学优化结果略优于以液压缸驱动载荷的优化结果。故选取液压缸的驱动功率最大值的最小化为优化目标函数。

当将液压缸视为驱动时，举升机构的余下杆件可简化为双摇杆机构。对于双摇杆机构，各个杆件长度均需满足如下基本关系，这也是被用作机构动力学优化的约束条件：

LAE+LDFLAD；LAE>LEF；LAD>LDF；LEF>LDF。

1.3 机构模型的参数化

在进行举升机构动力学优化设计时，需要建立ADAMS虚拟样机模型，如图1所示。通过对举升机构的各个点进行参数化，选取图1中的A、B、C、D、E五个点的x坐标和y坐标为优化设计变量，分别命名为DV_1、DV_2、DV_3、DV_4、DV_5、DV_6、DV_7、DV_8、DV_9 、DV_10。为加快机构动力学优化进程，需要对上述优化设计变量进行影响度分析[5]。影响度的单位为N/mm，表示设计变量每增加1mm，优化目标函数(此处为液压缸驱动功率)就相应变化，正值为驱动功率增加，而负值为减少。通过影响度分析，最终确定的优化设计变量为DV_1 -DV_9[4]。

1.4 优化计算

对举升机构的动力学优化采用Adams/view模块中的OPTDES-SQP算法，优化结果如图2所示。液压缸驱动功率的最大值经过13次迭代后降至1.638 7×103W，较之优化前的1.787 9×103W降低了8.34%。

图2 举升机构液压缸驱动功率的优化结果

经过动力学优化，虚拟样机模型的设计变量均发生了变化，如表1所示。

表1 举升机构优化前后设计变量

由于设计变量是与机构尺寸密切相关的，因此优化后机构的尺寸和构型也将相应改变，如杆长。优化后，举升机构主动臂AD的长度为1 684 mm，拉杆DE的长度717 mm，料斗EF的取值为1 150 mm。

按照动力学优化结果，重新建立举升机构的模型，并对其进行仿真分析后发现，当拉杆的位置为竖直状态时，举升机构的液压缸的驱动载荷情况最为严峻。

2 举升机构的有限元强度分析

针对优化后的举升机构，为设计合理的结构尺寸，本节对最严峻工况下的举升机构进行强度校核，以验证机构的合理性。

2.1 建立有限元模型

1) 三维模型的简化处理

结合动力学优化后举升机构的结构参数，基于Creo1.0软件建立三维模型，并进行简化处理。具体方法是：对主要受力构件的细节结构进行完整保留，对于其他部位的倒圆角和倒角可以选择性的去除[5]。

2) 设置材料属性及接触类型

举升机构主体材料均为Q460钢。其屈服强度为460MPa，密度为7 850 kg/m3，弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.28。

在设定结构材料的机械属性之后，需按照构件间的实际约束类型设置连接方式。这是有限元分析的关键步骤之一，若不能按照实际工况设定相应的接触类型，将会直接影响分析结果的准确性[6]。

ANSYS workbench提供的线性约束类型包括：绑定(Bonded)及不分离(No Separation)。对于绑定约束，接触面或者接触边之间不存在切向的相对滑动和法向的相对分离。这是缺省的接触类型，适用于所有的接触区域。而No Separation与Bonded类似，接触面或者接触线之间不允许发生法向的相对分离，但是允许发生少量相对的切向无摩擦滑动。

为了更真实地模拟举升机构的实际工况，举升机构销轴处的接触类型均设为No Separation类型，液压缸及液压杆之间设为Bonded。

3) 网格划分及边界条件的添加

采用CFD网格划分类型，通过对比多种不同网格划分方法的优缺点及适用范围，对主动臂、料斗、机架、液压缸以及液压杆选用Automatic自动划分法，其余构件选用Sweep法划分网格。举升机构有限元网格划分后，节点总数为77 700，单元总数为263 117。图3为网格划分之后的效果图。

图3 举升机构网格划分

完成网格划分后，根据设计要求对模型添加相应的边界条件及载荷。首先设置重力加速度Standard Earth Gravity。其次对举升机构模型添加外载荷-即满载时的垃圾质量，采用远程力(Remote Force)载荷类型，将其施加在举升机构料斗内壁的4个表面上，大小设为10 000 N。将举升机构的机架固定件当作边界条件来进行处理，均设置为固定约束(Fixed Support)[8]。

4) 主要构件的截面几何特征

移动分体式垃圾压缩站举升机构的主要构件包括：液压缸、液压杆、拉杆、主动臂以及铰接处的销轴。其中除主动臂三维模型内部有凹槽外，其余构件均为规则几何体。液压缸、液压杆及销轴的截面均为圆形截面，而拉杆的截面为矩形截面。主动臂的三维模型如图4所示。

图4 举升机构主动臂三维模型图

2.2 有限元静载荷分析

举升机构的有限元强度分析，选取举升机构运动初始时刻的构型为有限元分析的工况1。工况1下，举升机构的垃圾料斗刚刚脱离地面，此时机构的位置姿态如图1中的实线构型所示，料斗所受载荷-即满载时的垃圾质量为10 000 N，而液压缸驱动载荷为0.837 6×105N。

将机构驱动载荷最为严峻的时刻作为工况2。此时，举升机构的位置姿态如图5所示，其液压缸所承受的驱动载荷最大，最大值为0.978 7 ×105N。

图5 工况2下举升机构的位置姿态

通过两种不同工况下的对比分析可以保证分析结果的可靠性。

1) 工况1有限元分析结果

对于工况1，举升机构运动为初始时刻，料斗刚刚脱离地面。经有限元求解分析，举升机构的全局变形量、全局应力以及主要构件的应力图如图6-图8所示。

图6 举升机构在工况1下的全局变形量

图7 举升机构在工况1下的全局应力

图8 举升机构在工况1下的液压杆应力

图6给出了工况1下举升机构的全局变形量。最大变形量出现在垃圾料斗的边缘上，其数值约为1.7 mm。由图7可以看出，举升机构的应力图大部分区域呈深蓝色，这就说明举升机构大部分结构的等效应力(von Mises)<10 MPa，均能满足材料的许用强度。最大的von Mises应力出现在如图8所示的液压杆轴孔上，最大应力值约为193.2 MPa，小于材料的屈服强度，可满足强度要求。

2) 工况2有限元分析结果

对于工况2，拉杆处于竖直状态，机构液压缸承载情况最为严峻。通过计算分析得到举升机构的全局变形量及应力云图分别如图9-图11所示。

图9 举升机构在工况2下的全局变形量

图10 举升机构在工况2下的全局应力

图11 工况2下拉杆与固定件销轴应力

图9显示，与工况1类似，工况2下举升机构的结构最大变形量同样出现在料斗边缘上，最大值约为7.1 mm。而由图10与图11可以得知，工况2下举升机构的结构最大应力出现在拉杆与固定件连接的销轴上，大部分区域的应力值均<50 MPa，而最大应力值约为212.7 MPa，依然小于材料的屈服强度，可满足强度要求。

3 结语

本文首先针对移动分体式垃圾压缩站举升机构，以其液压缸驱动功率最大值的最小化为目标函数，对机构进行动力学优化设计。优化后液压缸驱动功率为1.638 7×103W，较之优化前的1.787 9×103W降低了8.34%。在获得优化的机构参数后，针对举升机构工况严峻的时刻，基于ANSYS有限元软件对其结构强度进行了模拟分析。

分析结果表明，在工况严峻的时刻，其结构最大变形量约为7.1 mm，且最大应力为212.7 MPa，小于材料的屈服强度，可见动力学优化后的举升机构结构满足设计要求。研究结果可为该类垃圾压缩站举升机构的结构设计提供必要的理论依据。

[1] 廖林清,霍飞,张君. 基于ADAMS的垃圾压缩机装载机构的动力学仿真与优化设计[J]. 重庆理工大学学报(自然科学版),2014(1):38-42.

[2] 贺磊,吕传毅,杨先海，等.基于ADAMS的生活垃圾装载机构仿真与优化[J]. 山东理工大学学报(自然科学版) ,2012,26(5):59-63.

[3] 胡晓乐,吴晓,罗薇，等. 基于ADAMS和ANSYS的液压举升机构优化与结构分析[J]. 机械设计与制造,2012(4):192-194.

[4] 张翠英,仪垂良,任冬梅. 基于ANSYS work bench的TZ04DU1.0装载机的有限元分[J]. 农业装备与车辆工程,2012,50(6):51-53,56.

[5] 李向博,马俊林,薛克敏. 基于ANSYS work bench液压支架顶梁多工况结构优化与静力分析[J]. 精密成形工程,2015(2):60-65.

[6] 张倩,单忠德,邹爱玲. 基于ANSYS work bench的装载机铲斗有限元分析[J]. 起重运输机械， 2013(12):71-75.

[7] 陈湘春,钟毅,阳吉初，等. 基于Pro/E与ANSYS多工况装配体的结构分析[J]. 装备制造技术,2011(9):11-13,31.