郝学维 孔靓靓 李 文凯 刘建

1 前言

当今社会各行各业的竞争越来越激烈，为缩短设计周期，降低成本，提高产品质量，学习和应用计算机辅助工程CAE显得越来越重要[1]。SolidWorks Motion是SolidWorks的运动仿真插件，其操作简单、易于分析，在工程技术设计中应用广泛。下面结合SolidWorks（下称SW）运动仿真插件，模拟后装压缩式垃圾车举升油缸的举升动作，并输出整个举升过程中填料器（含倾倒装置）质心力臂和举升油缸举升力臂的变化参数点域，最后利用Excel绘制各力臂的变化曲线及举升油缸举升力变化曲线，以此分析垃圾车举升油缸举升力的变化，对优化设计起指导作用。

2 运动仿真模型的建立

2.1 填料器运动过程

当后装压缩式垃圾车收集满垃圾转运至垃圾中转站或垃圾处理厂卸载时，举升油缸将填料器举升至最大角度，推出板将垃圾箱内垃圾推卸出，然后操纵控制系统，使填料器在自身重力作用下，收缩举升油缸，复位填料器，完成整个卸料过程。在此过程中，举升油缸所提供举升力的变化过程是本文分析的重点。

2.2 模型建模的思路与技巧

a. 由于SW Motion插件对计算机的配制要求较高，若按图1所示对未经简化的箱体与填料器组合件模型进行运算，往往会耗费较长的时间，且易造成未知错误。经分析，箱体组合件仅作为本文研究的“支点角色”，可简化至后框架组件进行建模；b. 填料器为本文研究对象之一，必须对其所有零部件逐一建模，且保证每一个零件均指定了正确的材质和厚度（或规格），以便准确地模拟出填料器的质心位置。c. 如图2所示的简化模型中，将模型原点O设置在填料器与后框架铰接轴中心点处，以便后续输出的力臂变化点域以该铰接轴中心为相对坐标原点。d. 仅保留本次研究过程中所涉及到的填料器绕铰接轴转动和举升油缸伸缩动作自由度，其余零部件完全约束，并将属性设置为刚性，否则SW Motion插件将提示出错，无法输出结果。e. 在举升油缸中心线纵向面上建立曲面（平面区域），以便于举升油缸举升力臂参考面的选取，若仅建立基准面，在运动仿真运算中将无法选取。

2.3 模型运动过程受力简化分析

在举升油缸作用下，填料器绕其与箱体后框架铰接轴近似匀速旋转至举升角度，举升角以92°为准。此过程中，可视为填料器力矩平衡，即∑Mi= 0，则举升油缸举升力矩MF等于填料器质心力矩填料器举升动作受力简化分析如图3所示[2]，由填料器力矩平衡可得公式：

3 模型的仿真分析

3.1 填料器质心力臂曲线绘制

根据分析，在举升油缸推力F与填料器自重G作用下，填料器绕铰接点O（模型原点）近似匀速转动至举升角度，整个举升过程力矩平衡，即：

若按常规公式计算，首先需要确定填料器组件的质心位置，即每一个零部件的质量Pi及 其质 心位 置Gi( xi， yi， zi)，此计算方法过于复杂，且求解困难。而利用SW软件，无需确定质心位置即可准确求解出填料器质心力臂随时间变化的点域。

下面详细介绍应用SW软件绘制质心力臂曲线的过程。

a. 打开图2所示简化模型后，借助SW软件的“评估”–“质量属性”，准确求解出填料器组件总质量1 800 kg。

b. 调出SW分析插件列表，勾选“SW Motion”分析插件，即可进行运动仿真。将软件切换至动画仿真分析界面，在动画分析工具栏上选择“Motion分析”，如图4红色方框标注所示。

c. 模拟填料器举升过程，在填料器支耳（与箱体上框铰接处）添加旋转马达，点选图4绿色方框标注的按钮，角位移设定为92°，运行时间为5 s，再点选图4中蓝色方框标注按钮，运行仿真过程。

d. 点选”Motion工具栏”–“ 结果与图解”按钮，进入如图5所示设置界面。选取填料器任意零部件，用SW Motion运算后输出填料器质心力臂变化点域，并导出.xls文件。再经Excel处理，绘制出填料器质心力臂–时间变化曲线，如图6中橘色曲线。

3.2 举升油缸举升力臂曲线绘制

按照填料器质心力臂求解方法，在已添加的旋转马达作用下，利用SW Motion插件，按图7所示设置，选取铰接点O（原点）和举升油缸纵向面所建的曲面运算，即可生成举升油缸举升力臂变化点域，经Excel绘制出举升油缸举升力臂–时间变化曲线，如图6蓝色曲线所示。

3.3 举升油缸举升力分析

根据SW运动仿真插件输出的填料器质心与举升油缸举升力臂变化点域，经Excel处理，绘制出填料器质心力臂与举升油缸举升力臂比值–时间曲线，如图8所示。

由图8曲线可以看出，填料器质心力臂与举升油缸举升力臂比值LG/ LF变化范围为3.5～4.0，且在初始举升位置处最大。由式(2)得：

由填料器组件自重G=1 800 kg，可绘制出单支举升油缸理论举升力变化曲线，如图9所示。

由图9可知，举升油缸举升力的变化范围为31 500～36 000 N，在初始位置处举升力最大，Fmax=36 000 N。若举升油缸在初始位置处能将填料器组件举起，即可顺利完成整个举升行程；举升力变化曲线曲率过渡平缓，无骤增骤减现象，说明整个举升行程中，举升油缸受力平缓，未受到明显冲击载荷的作用。

本文以举升油缸缸径D=70 mm，额定压力P=16 MPa为例，计算举升油缸举升力值FO：

由计算可知，举升油缸完全可以满足填料器的举升要求，且油缸举升力余量充足。

经对国内用户走访发现，在压缩式垃圾车长时间使用中，举升油缸的举升性能会下降，出现举不起或举升较慢现象。其原因为：a. 油缸生产加工精度不高，使油缸存在较大的内泄量，导致油缸实际作用力低于理论计算值；b. 油缸长时间使用，油缸内部元件及密封元件磨损，导致其自身举升性能逐渐衰减；c. 作业人员未能按照车辆使用手册操作，导致实际举升负载增大，如填料器污水箱内污水未排净或料斗内残存大量垃圾；d.在整个系统中，液压元件如泵、阀等在长时间使用中出现性能衰减或管路泄露等问题，造成系统压力明显降低。

通过向国内某知名厂家有经验的售后人员请教， Fmax/FO在80%以下可以满足垃圾车长期使用的要求。对于垃圾车使用工况恶劣，路面情况复杂的地区，油缸需保证设计余量充足。

综上所述，本文中举升油缸Fmax/FO= 59%完全能够满足垃圾车长时间举升要求。

4 结语

本文介绍的SolidWorks Motion仿真插件分析举升油缸举升性能的方法，可应用于研究变量随时间变化关系或性能指标的分析中，亦可推广到其他机构和工程机械领域中，用以分析其力、力臂、速度、加速度等在动作过程中的变化关系，从而能够较准确地指导工程技术人员的设计工作。

[1] 江洪,陈燎,王智.SolidWorks有限元分析实例解析[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京: 高等教育出版社,1996.