朱正東，李必文

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001）

0 引言

國(guó)內(nèi)外均將路面清掃作為公路日常養(yǎng)護(hù)作業(yè)項(xiàng)目的主要內(nèi)容，作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、工程精準(zhǔn)化、生產(chǎn)綠色化是該行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)行路面清掃車有純掃式、純吸式、吸掃式三大類型，后兩者是歐美等國(guó)公路清掃的主流裝備，也是主要的研究方向，這兩類車具有工作速度高、環(huán)境污染小的特點(diǎn)，但由于設(shè)置了大功率副發(fā)動(dòng)機(jī)、液力偶合器以及復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，只能采用工程機(jī)械專用底盤，使得車體龐大、造價(jià)高昂、能耗高企、維修困難，并不適合中國(guó)龐大的國(guó)省道及鄉(xiāng)村道路網(wǎng)?！笆濉逼陂g，由于道路基礎(chǔ)建設(shè)速度加快，鄉(xiāng)村環(huán)衛(wèi)要求地提高，使得清掃車內(nèi)需增加。同時(shí)出現(xiàn)了許多采用在汽車底盤上進(jìn)行改裝的清掃車型，其盤刷、滾掃、輸送機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)帶動(dòng)工作，安裝垃圾箱、水箱等多種配套設(shè)備。這種可同時(shí)完成地面和馬路道牙邊清掃等工作，適用于各種氣候和不同干燥路面的清掃車是未來(lái)發(fā)展的一大方向。

某型拖曳式公路清掃車是一款具有清掃浮塵、落葉及折斷樹(shù)枝等大尺寸垃圾等功能的清潔機(jī)械，其性能對(duì)于城區(qū)外公路的清掃作業(yè)工況具有明顯優(yōu)勢(shì)。螺旋葉片軸是影響清掃車能否對(duì)樹(shù)枝等大尺寸垃圾具備較好破壞效果的關(guān)鍵零部件，也是聚料裝置最重要主體結(jié)構(gòu)。建立有限元分析模型，通過(guò)ANSYS有限元分析優(yōu)化左右螺旋葉片軸的軸徑、制造材料等，使螺旋葉片軸具有良好的性重比。

1 聚料裝置有限元模型

1.1 物理模型的建立

聚料裝置的主要任務(wù)是將主滾掃清掃至聚料臺(tái)底板的垃圾顆粒不斷的收集聚攏至波紋擋邊皮帶機(jī)上，同時(shí)破壞、撕裂樹(shù)枝等大尺寸垃圾。聚料裝置應(yīng)與主滾掃密切配合，無(wú)縫作業(yè)，防止發(fā)生漏料的情況。

在國(guó)標(biāo)JB/T7679-2008《螺旋輸送機(jī)》[1]中對(duì)螺旋輸送機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了規(guī)范，因此螺旋葉片軸的相關(guān)尺寸參數(shù)可依據(jù)圖1進(jìn)行選用。結(jié)合清掃車的實(shí)際使用需求，螺旋葉片軸的相關(guān)參數(shù)選用LS125型號(hào)的輸送機(jī)尺寸。

圖1 螺旋葉片軸的選用依據(jù)

螺旋葉片軸中心桿的直徑可依據(jù)式1計(jì)算：

式中：d為螺旋葉片軸中心桿直徑（m）；

D為螺旋葉片軸公稱直徑（m）。

在保證螺旋桿力學(xué)性能的前提下也可依據(jù)式2計(jì)算，以減小螺旋葉片軸中心桿直徑，增大其聚料能力。

利用CATIA軟件建立螺旋葉片軸折斷樹(shù)枝的三維模型圖。樹(shù)枝使用一根長(zhǎng)為500 mm，直徑為10 mm的圓柱代替。在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，為減少ANSYS計(jì)算時(shí)間可將聚料裝置的有限元模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化，模型圖如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

1.2 確定模型的材料屬性

目前，螺旋輸送機(jī)的葉片軸普遍采用的材料為304不銹鋼或者Q345，對(duì)于螺旋葉片軸來(lái)說(shuō)，采用304不銹鋼材料主要考慮介質(zhì)的腐蝕性和溫度，而采用Q345材料主要考慮其抗磨性能[2]。拖曳式清掃車作業(yè)環(huán)境為國(guó)省道及鄉(xiāng)村道路，垃圾的腐蝕性不是主要考慮因素，反而路面的小石子或者是硬度較大的樹(shù)枝等易造成螺旋葉片軸的磨損，故本研究的螺旋葉片軸的一種備選材料為Q345。

依據(jù)國(guó)標(biāo)JB/T7679-2008《螺旋輸送機(jī)》，聚料裝置的輸送能力按式3計(jì)算。

式中：Iv——容積輸送量；

φ——充填系數(shù)；

D——螺旋葉片軸的螺旋公稱直徑（m）；

S——螺距（m）；

n——螺旋葉片軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

由式3可知，在螺旋葉片軸公稱直徑、螺距、轉(zhuǎn)速一致的情況下，相同的充填系數(shù)，中心桿直徑越小，聚料裝置的輸送能力越大。如若將中心桿直徑縮小，必然影響螺旋葉片軸的力學(xué)性能，因此可以選用力學(xué)性能更好，成本合適的高錳鋼ZGMn13作備選材料。然后利用ANSYS對(duì)采用兩種材料的螺旋葉片軸分別進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證螺旋葉片軸對(duì)樹(shù)枝的破壞效果[3]。

對(duì)于樹(shù)枝模型的材料選擇，在我國(guó)南方地區(qū)，非城區(qū)道路的兩側(cè)一般多為香樟樹(shù)，故可將香樟樹(shù)的力學(xué)性能作為模擬樹(shù)枝的材料屬性。

木材的主要受力成份是木纖維，沿木材生長(zhǎng)方向，纖維的主要破壞是拉應(yīng)力[4-6]，故香樟樹(shù)的一般力學(xué)性能可以利用拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。截取香樟樹(shù)一段作為實(shí)驗(yàn)樣本，在實(shí)驗(yàn)前，需將實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行處理以符合拉伸實(shí)驗(yàn)的要求，如圖3（a）所示。

圖3 香樟樹(shù)樹(shù)枝樣本及應(yīng)力應(yīng)變曲線

經(jīng)過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，得到了香樟樹(shù)的應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合圖，如圖3（b）所示。模擬樹(shù)枝的材料屬性的相關(guān)參數(shù)設(shè)置將以此作為參考依據(jù)。

1.3 有限元模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

對(duì)于外形較復(fù)雜的螺旋葉片軸，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分法能得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量[7]。以Delaunay法為基礎(chǔ)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，對(duì)于三維空間中各節(jié)點(diǎn)和單元分布可控性效果較好，故在對(duì)螺旋葉片軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。針對(duì)如圓柱體等規(guī)則形體，sweep網(wǎng)格計(jì)算方法有較好的劃分效果，對(duì)樹(shù)枝模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用sweep方式[8]。劃分效果圖如圖4所示，該模型的網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為131 602，單元數(shù)為606 231。

圖4 網(wǎng)格劃分效果圖

螺旋葉片軸兩端采用Remote displacement來(lái)約束孔中心線的X/Y/Z方向的位移和結(jié)構(gòu)繞孔中心線Y/Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。為模擬螺旋葉片軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)擠壓樹(shù)枝的狀態(tài)，在樹(shù)枝下半面采用displacement位移約束。

2 聚料裝置的有限元分析

2.1 不同材料的螺旋葉片軸性能分析

本文采用單一變量法進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于同樣的樹(shù)枝模型，中心桿直徑按式1計(jì)算取40 mm的兩螺旋葉片軸，分別加載ZGMn13材料和Q345材料，分析樹(shù)枝受螺旋葉片軸擠壓時(shí)的破壞效果和螺旋葉片軸的應(yīng)力分布以及變形情況。

螺旋葉片軸采用ZGMn13材料時(shí)，應(yīng)力分布與位移情況如圖5所示。

圖5 等效應(yīng)力云圖（上）Z向位移結(jié)果（下）

螺旋葉片軸采用Q345材料時(shí)，應(yīng)力分布與位移情況如圖6所示。

圖6 等效應(yīng)力云圖（上）Z向位移結(jié)果（下）

分析發(fā)現(xiàn)，螺旋葉片軸采用Q345材料或者ZGMn13材料時(shí)，破壞效果明顯。相比較而言，采用ZGMn13材料時(shí)切碎的樹(shù)枝碎片較多且碎片在Z方向上的位移較大，表明此時(shí)樹(shù)枝的破壞效果較好。同時(shí)，螺旋葉片軸上及軸徑處的應(yīng)力分布情況較好以及變形量也在允許的范圍內(nèi)。

2.2 不同軸徑的螺旋葉片軸性能分析

采用同種材料不同軸徑的螺旋葉片軸，軸徑由式1和式2計(jì)算，兩種采用ZGMn13的螺旋葉片軸的中心桿直徑分別是30 mm、40 mm，取相同樹(shù)枝采用單一變量法進(jìn)行分析。

螺旋葉片軸中心桿直徑取值30 mm時(shí)，應(yīng)力與位移情況如圖7所示。

圖7 等效應(yīng)力云圖（上）Z向位移結(jié)果（下）

螺旋葉片軸中心桿直徑取值40 mm時(shí)，應(yīng)力與位移情況如圖5所示。

由上圖分析得知，在螺旋葉片軸桿徑分別為30 mm、40 mm時(shí)，采用ZGMn13材料比采用Q345材料時(shí)可獲得更為理想的樹(shù)枝破壞效果。

3 結(jié)論

針對(duì)螺旋葉片軸ZGMn13材料桿徑為30 mm時(shí)的樹(shù)枝破壞效果接近于Q345材料桿徑為40 mm時(shí)的效果，此時(shí)，不但可使螺旋葉片軸重量減小12%左右，同時(shí)，由聚料裝置的輸送能力公式3可知，使聚料裝置的輸送能力提高約35%，即垃圾收集聚攏的效率得到了提升。

根據(jù)ANSYS分析結(jié)果，在確保清掃要求的前提下，可為聚料裝置獲得較優(yōu)的性重比及輸送能力提供可靠依據(jù)。