郝學(xué)維 孔靚靚 李 文凱 劉建

1 前言

當(dāng)今社會各行各業(yè)的競爭越來越激烈，為縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，學(xué)習(xí)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程CAE顯得越來越重要[1]。SolidWorks Motion是SolidWorks的運(yùn)動仿真插件，其操作簡單、易于分析，在工程技術(shù)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。下面結(jié)合SolidWorks（下稱SW）運(yùn)動仿真插件，模擬后裝壓縮式垃圾車舉升油缸的舉升動作，并輸出整個舉升過程中填料器（含傾倒裝置）質(zhì)心力臂和舉升油缸舉升力臂的變化參數(shù)點(diǎn)域，最后利用Excel繪制各力臂的變化曲線及舉升油缸舉升力變化曲線，以此分析垃圾車舉升油缸舉升力的變化，對優(yōu)化設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。

2 運(yùn)動仿真模型的建立

2.1 填料器運(yùn)動過程

當(dāng)后裝壓縮式垃圾車收集滿垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)至垃圾中轉(zhuǎn)站或垃圾處理廠卸載時，舉升油缸將填料器舉升至最大角度，推出板將垃圾箱內(nèi)垃圾推卸出，然后操縱控制系統(tǒng)，使填料器在自身重力作用下，收縮舉升油缸，復(fù)位填料器，完成整個卸料過程。在此過程中，舉升油缸所提供舉升力的變化過程是本文分析的重點(diǎn)。

2.2 模型建模的思路與技巧

a. 由于SW Motion插件對計(jì)算機(jī)的配制要求較高，若按圖1所示對未經(jīng)簡化的箱體與填料器組合件模型進(jìn)行運(yùn)算，往往會耗費(fèi)較長的時間，且易造成未知錯誤。經(jīng)分析，箱體組合件僅作為本文研究的“支點(diǎn)角色”，可簡化至后框架組件進(jìn)行建模；b. 填料器為本文研究對象之一，必須對其所有零部件逐一建模，且保證每一個零件均指定了正確的材質(zhì)和厚度（或規(guī)格），以便準(zhǔn)確地模擬出填料器的質(zhì)心位置。c. 如圖2所示的簡化模型中，將模型原點(diǎn)O設(shè)置在填料器與后框架鉸接軸中心點(diǎn)處，以便后續(xù)輸出的力臂變化點(diǎn)域以該鉸接軸中心為相對坐標(biāo)原點(diǎn)。d. 僅保留本次研究過程中所涉及到的填料器繞鉸接軸轉(zhuǎn)動和舉升油缸伸縮動作自由度，其余零部件完全約束，并將屬性設(shè)置為剛性，否則SW Motion插件將提示出錯，無法輸出結(jié)果。e. 在舉升油缸中心線縱向面上建立曲面（平面區(qū)域），以便于舉升油缸舉升力臂參考面的選取，若僅建立基準(zhǔn)面，在運(yùn)動仿真運(yùn)算中將無法選取。

2.3 模型運(yùn)動過程受力簡化分析

在舉升油缸作用下，填料器繞其與箱體后框架鉸接軸近似勻速旋轉(zhuǎn)至舉升角度，舉升角以92°為準(zhǔn)。此過程中，可視為填料器力矩平衡，即∑Mi= 0，則舉升油缸舉升力矩MF等于填料器質(zhì)心力矩填料器舉升動作受力簡化分析如圖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 填料器質(zhì)心力臂曲線繪制

根據(jù)分析，在舉升油缸推力F與填料器自重G作用下，填料器繞鉸接點(diǎn)O（模型原點(diǎn)）近似勻速轉(zhuǎn)動至舉升角度，整個舉升過程力矩平衡，即：

若按常規(guī)公式計(jì)算，首先需要確定填料器組件的質(zhì)心位置，即每一個零部件的質(zhì)量Pi及 其質(zhì) 心位 置Gi( xi， yi， zi)，此計(jì)算方法過于復(fù)雜，且求解困難。而利用SW軟件，無需確定質(zhì)心位置即可準(zhǔn)確求解出填料器質(zhì)心力臂隨時間變化的點(diǎn)域。

下面詳細(xì)介紹應(yīng)用SW軟件繪制質(zhì)心力臂曲線的過程。

a. 打開圖2所示簡化模型后，借助SW軟件的“評估”–“質(zhì)量屬性”，準(zhǔn)確求解出填料器組件總質(zhì)量1 800 kg。

b. 調(diào)出SW分析插件列表，勾選“SW Motion”分析插件，即可進(jìn)行運(yùn)動仿真。將軟件切換至動畫仿真分析界面，在動畫分析工具欄上選擇“Motion分析”，如圖4紅色方框標(biāo)注所示。

c. 模擬填料器舉升過程，在填料器支耳（與箱體上框鉸接處）添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，點(diǎn)選圖4綠色方框標(biāo)注的按鈕，角位移設(shè)定為92°，運(yùn)行時間為5 s，再點(diǎn)選圖4中藍(lán)色方框標(biāo)注按鈕，運(yùn)行仿真過程。

d. 點(diǎn)選”Motion工具欄”–“ 結(jié)果與圖解”按鈕，進(jìn)入如圖5所示設(shè)置界面。選取填料器任意零部件，用SW Motion運(yùn)算后輸出填料器質(zhì)心力臂變化點(diǎn)域，并導(dǎo)出.xls文件。再經(jīng)Excel處理，繪制出填料器質(zhì)心力臂–時間變化曲線，如圖6中橘色曲線。

3.2 舉升油缸舉升力臂曲線繪制

按照填料器質(zhì)心力臂求解方法，在已添加的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)作用下，利用SW Motion插件，按圖7所示設(shè)置，選取鉸接點(diǎn)O（原點(diǎn)）和舉升油缸縱向面所建的曲面運(yùn)算，即可生成舉升油缸舉升力臂變化點(diǎn)域，經(jīng)Excel繪制出舉升油缸舉升力臂–時間變化曲線，如圖6藍(lán)色曲線所示。

3.3 舉升油缸舉升力分析

根據(jù)SW運(yùn)動仿真插件輸出的填料器質(zhì)心與舉升油缸舉升力臂變化點(diǎn)域，經(jīng)Excel處理，繪制出填料器質(zhì)心力臂與舉升油缸舉升力臂比值–時間曲線，如圖8所示。

由圖8曲線可以看出，填料器質(zhì)心力臂與舉升油缸舉升力臂比值LG/ LF變化范圍為3.5～4.0，且在初始舉升位置處最大。由式(2)得：

由填料器組件自重G=1 800 kg，可繪制出單支舉升油缸理論舉升力變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，舉升油缸舉升力的變化范圍為31 500～36 000 N，在初始位置處舉升力最大，F(xiàn)max=36 000 N。若舉升油缸在初始位置處能將填料器組件舉起，即可順利完成整個舉升行程；舉升力變化曲線曲率過渡平緩，無驟增驟減現(xiàn)象，說明整個舉升行程中，舉升油缸受力平緩，未受到明顯沖擊載荷的作用。

本文以舉升油缸缸徑D=70 mm，額定壓力P=16 MPa為例，計(jì)算舉升油缸舉升力值FO：

由計(jì)算可知，舉升油缸完全可以滿足填料器的舉升要求，且油缸舉升力余量充足。

經(jīng)對國內(nèi)用戶走訪發(fā)現(xiàn)，在壓縮式垃圾車長時間使用中，舉升油缸的舉升性能會下降，出現(xiàn)舉不起或舉升較慢現(xiàn)象。其原因?yàn)椋篴. 油缸生產(chǎn)加工精度不高，使油缸存在較大的內(nèi)泄量，導(dǎo)致油缸實(shí)際作用力低于理論計(jì)算值；b. 油缸長時間使用，油缸內(nèi)部元件及密封元件磨損，導(dǎo)致其自身舉升性能逐漸衰減；c. 作業(yè)人員未能按照車輛使用手冊操作，導(dǎo)致實(shí)際舉升負(fù)載增大，如填料器污水箱內(nèi)污水未排凈或料斗內(nèi)殘存大量垃圾；d.在整個系統(tǒng)中，液壓元件如泵、閥等在長時間使用中出現(xiàn)性能衰減或管路泄露等問題，造成系統(tǒng)壓力明顯降低。

通過向國內(nèi)某知名廠家有經(jīng)驗(yàn)的售后人員請教， Fmax/FO在80%以下可以滿足垃圾車長期使用的要求。對于垃圾車使用工況惡劣，路面情況復(fù)雜的地區(qū)，油缸需保證設(shè)計(jì)余量充足。

綜上所述，本文中舉升油缸Fmax/FO= 59%完全能夠滿足垃圾車長時間舉升要求。

4 結(jié)語

本文介紹的SolidWorks Motion仿真插件分析舉升油缸舉升性能的方法，可應(yīng)用于研究變量隨時間變化關(guān)系或性能指標(biāo)的分析中，亦可推廣到其他機(jī)構(gòu)和工程機(jī)械領(lǐng)域中，用以分析其力、力臂、速度、加速度等在動作過程中的變化關(guān)系，從而能夠較準(zhǔn)確地指導(dǎo)工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作。

[1] 江洪,陳燎,王智.SolidWorks有限元分析實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)[M].北京: 高等教育出版社,1996.