唐山學(xué)院交通與車輛工程系 唐山 066300

0 引言

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷加快，居民對生活環(huán)境質(zhì)量的要求不斷提高，致使環(huán)衛(wèi)部門需要處理垃圾的樣式和數(shù)量不斷增多，拉臂式垃圾車作為一種車廂可卸式垃圾車，裝卸效率高，作業(yè)時(shí)間短，可改善環(huán)衛(wèi)工人工作條件，廣泛應(yīng)用于環(huán)保作業(yè)中[1,2]。目前，國內(nèi)對拉臂機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究分析主要用動載系數(shù)來表示拉臂機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)所受的動載荷，以靜強(qiáng)度作為拉臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[3,4]。由于拉臂機(jī)構(gòu)實(shí)際受到的載荷多為動態(tài)載荷，動載系數(shù)以及靜強(qiáng)度都無法準(zhǔn)確地描述實(shí)時(shí)受力狀態(tài)，傳統(tǒng)的拉臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法很難考慮其復(fù)雜的受力及變形情況，而有限元的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析法可以很好地解決此問題。為此，本文以某公司研制的拉臂式垃圾車總成為例，利用有限元技術(shù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并進(jìn)行局部改進(jìn)，進(jìn)而提高拉臂機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)，為確保該產(chǎn)品正常使用提供依據(jù)。

1 拉臂機(jī)構(gòu)的工作原理及組成

拉臂式垃圾車可以完成換箱和傾斜功能。當(dāng)拉臂機(jī)構(gòu)執(zhí)行換箱動作時(shí)，垃圾箱安全鉤被打開，舉升液壓缸伸出，垃圾箱被推到地面。當(dāng)垃圾箱提起到副車架上時(shí)，鉤子先鉤住垃圾箱的環(huán)，然后舉升液壓缸縮回，以主軸旋轉(zhuǎn)的逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)拉臂，將垃圾箱提起副車架上；當(dāng)垃圾車傾卸工況時(shí)，垃圾箱安全鉤保障拉臂和垃圾箱不分離的狀態(tài)，將副車架后部導(dǎo)向輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，以抬起垃圾箱，直到清除垃圾為止。當(dāng)滑架返回其原始位置時(shí)，液壓缸縮回，拉臂機(jī)構(gòu)仍將以導(dǎo)輪為旋轉(zhuǎn)軸，并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)直到垃圾箱復(fù)位。

拉臂式垃圾車的拉臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，拉臂的一端與拉臂缸的活塞桿端相連，鉸接在鉸鏈支點(diǎn)B上。拉臂缸的缸頭端連接至副車架的前部，并鉸接至鉸鏈支撐點(diǎn)A。連桿架的后軸連接至副車架的后部，并鉸接至鉸鏈支撐點(diǎn)D，以形成聯(lián)動架樞軸。

圖1 拉臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置

2 拉臂機(jī)構(gòu)力學(xué)特性分析

根據(jù)拉臂結(jié)構(gòu)的受力情況，危險(xiǎn)工況分別為裝箱過程、物料傾卸過程與卸箱過程。物料傾斜過程的旋轉(zhuǎn)軸與裝卸過程不同，拉臂液壓缸活塞桿回轉(zhuǎn)半徑DB大于裝卸箱的回轉(zhuǎn)半徑OB，則物料傾斜過程所需的液壓缸推力和拉力小于裝卸過程液壓缸推力和拉力，故文中僅對裝箱工況和卸箱工況進(jìn)行拉臂架裝置的受力分析與計(jì)算。

在裝箱與卸箱過程中，拉臂機(jī)構(gòu)主要受三個(gè)力影響，即：舉升液壓缸對固定座的拉力或推力，副車架對固定座主旋轉(zhuǎn)軸的支撐力，垃圾箱對鉤臂的拉力。拉臂機(jī)構(gòu)在裝卸工況其拉臂鉤手處出現(xiàn)最大載荷時(shí)垃圾箱與導(dǎo)向輪接觸，受力簡圖如圖2所示。

圖2 拉臂機(jī)構(gòu)在裝卸過程的受力簡圖

垃圾箱對拉臂鉤手的拉力從垃圾箱鉤環(huán)被拉臂上的鉤手拉起時(shí)開始，直至垃圾箱被完全吊起，此時(shí)拉力出現(xiàn)驟增現(xiàn)象，在垃圾箱體與聯(lián)動架上的滾輪接觸之前，拉力會緩慢變小，故此時(shí)拉臂鉤手處將出現(xiàn)最大載荷。對垃圾箱進(jìn)行受力分析，由C＇點(diǎn)受力平衡與力矩平衡方程可得

聯(lián)立可得地面對垃圾箱的支撐力

由邊角關(guān)系可得

已知滿載時(shí)垃圾箱質(zhì)量為7.84 kN，h＝0.9 m，L4＝2.3 m，H＝1.4 m，L＝3.1 m，α＝31°，可得拉臂鉤手處的拉力為

卸載過程與裝箱過程恰好相反，可以將其視為裝箱過程的逆過程，通過受力簡圖分析，拉臂和翻轉(zhuǎn)架從水平位置轉(zhuǎn)過90°時(shí)，拉臂折彎處應(yīng)最容易受損，此時(shí)垃圾箱體前輪處于離開地面，后輪接觸地面狀態(tài)，且垃圾箱未與副車架上的導(dǎo)向輪接觸，亦可求得垃圾箱對拉臂鉤手拉力的分力

3 拉臂機(jī)構(gòu)靜態(tài)有限元分析

3.1 拉臂機(jī)構(gòu)有限元模型的建立

拉臂機(jī)構(gòu)材料為Q550D，泊松比為0.3，彈性模量為2.0×1011Pa，材料密度為7 850 kg/m3，屈服強(qiáng)度為550 MPa，抗拉強(qiáng)度670 MPa，該模型共包含292 050個(gè)節(jié)點(diǎn)；115 491個(gè)單元，如圖3所示。

圖3 拉臂機(jī)構(gòu)有限元計(jì)算模型

3.2 裝箱工況靜力學(xué)分析

在拉臂鉤手內(nèi)側(cè)施加拉力，根據(jù)分析計(jì)算可知，當(dāng)拉臂轉(zhuǎn)角43.5°時(shí)，拉臂鉤手受到的極大值為49.087 kN。將邊界條件帶入仿真模型，機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布與變形量如圖4、圖5所示。裝箱過程中，最大變形發(fā)生在拉臂勾手上，最大值為14.12 mm。應(yīng)力集中在伸縮套筒與拉臂連接的折彎處，應(yīng)力值為349 MPa，此處是連接部位，形變嚴(yán)重，彎矩較大，裝箱工況下拉臂機(jī)構(gòu)各處應(yīng)力均小于屈服極限，且安全系數(shù)為1.57＞1.5，滿足其強(qiáng)度要求。

圖4 裝箱過程拉臂機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布

圖5 裝箱過程拉臂機(jī)構(gòu)的變形量情況

3.3 卸箱工況靜力學(xué)分析

拉臂的鉤臂內(nèi)側(cè)施加載荷，F(xiàn)x＝-56.474 kN，F(xiàn)y＝10.963 kN，應(yīng)力與變形量如圖6、圖7所示。拉臂機(jī)構(gòu)在卸箱過程中，拉臂鉤手變形量最大，為13.6 mm。應(yīng)力集中在伸縮套筒連接到拉臂彎曲處，最大值為470 MPa，連接部的變形更嚴(yán)重，施加在拉臂鉤上的拉力主要是沿X軸負(fù)方向的。經(jīng)計(jì)算可知，卸箱工況下各部位的應(yīng)力值小于屈服極限，但其安全系數(shù)為1.17＜1.5，不滿足強(qiáng)度要求。

圖6 卸箱過程拉臂機(jī)構(gòu)整體的應(yīng)力分布

圖7 卸箱過程拉臂機(jī)構(gòu)的變形量情況

4 拉臂機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

4.1 拉臂機(jī)構(gòu)動態(tài)性能要求

結(jié)合拉臂式垃圾車實(shí)際工況下的外界激勵，確定其計(jì)算頻段，避免拉臂式垃圾車產(chǎn)生共振現(xiàn)象。主要的外部激勵是：

1）拉臂式垃圾車在普通公路上行駛時(shí)，會受到路面的刺激。由于垃圾車主要在平坦的道路上行駛，其激勵頻率一般為1～3 Hz，故該頻率更容易避免。

2）拉臂式垃圾車正常行駛速度為50 km/h，因傳動軸引發(fā)的激勵頻率為38 Hz左右，此頻率也很容易避免。

3）該拉臂式垃圾車選用的發(fā)動機(jī)型號為TC4EG 170-50，其最低空載轉(zhuǎn)速（怠速）為（600±50） r/min，最大扭矩轉(zhuǎn)速為1 300～1 800 r/min，發(fā)動機(jī)的最低空載轉(zhuǎn)速時(shí)的激勵頻率為18.3～21.7 Hz，最大扭矩轉(zhuǎn)速時(shí)的激勵頻率為43.3～60 Hz，故發(fā)動機(jī)的常用工作頻率為18.3～21.7 Hz和43.3～60 Hz。

4.2 模態(tài)分析結(jié)果

在Ansys有限元軟件中得到了拉臂機(jī)構(gòu)的最小12階固有頻率，如表1所示。

表1 各階固有頻率與振型

4.3 拉臂機(jī)構(gòu)整體模態(tài)評價(jià)

1）分析得出的12階固有頻率和振型，拉臂機(jī)構(gòu)的頻率平穩(wěn)增加，沒有突變現(xiàn)象。

2）該拉臂機(jī)構(gòu)的第一階模態(tài)頻率為26.75 Hz，第二階模態(tài)頻率為31.52 Hz，兩者均避開了路面激振頻率，也不在發(fā)動機(jī)最低空載轉(zhuǎn)速頻率和最大扭矩轉(zhuǎn)速頻率內(nèi)。第三至第十二模態(tài)頻率高于發(fā)動機(jī)的工作范圍頻率，故可以有效避免拉臂機(jī)構(gòu)與發(fā)動機(jī)之間的共振現(xiàn)象。

3）拉臂機(jī)構(gòu)的12階模態(tài)頻率均不在平緩路面引起的激勵頻率內(nèi)，拉臂機(jī)構(gòu)不會與路面激勵產(chǎn)生共振。故可以確定拉臂機(jī)構(gòu)不會與外界激勵產(chǎn)生共振，拉臂機(jī)構(gòu)具有良好的動態(tài)特性，符合拉臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

5 拉臂機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

5.1 拉臂機(jī)構(gòu)的局部修改

經(jīng)拉臂機(jī)構(gòu)靜力分析可知，在卸箱工況下強(qiáng)度不足。故需對拉臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行局部修改，以達(dá)到符合靜態(tài)性能的目的。對伸縮套筒與拉臂下部折彎的連接處采取一些必要的改進(jìn)，減少伸縮套筒與拉臂下部折彎連接處的受力，在薄弱部位增加加強(qiáng)板以提高此位置的剛度，減少危險(xiǎn)部位變形量，提高拉臂機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。在伸縮套筒和拉臂下部彎曲的接縫處增加了2個(gè)三角形加強(qiáng)板，可以提高此處的彎曲強(qiáng)度，改進(jìn)后的模型如圖8所示。

圖8 折彎處優(yōu)化后的模型

在伸縮套筒的上下兩端增加方形管，使伸縮套筒在拉臂機(jī)構(gòu)工作時(shí)不易損壞，且此方案容易實(shí)施，不會對拉臂機(jī)構(gòu)運(yùn)行中的其他部件產(chǎn)生干涉，改進(jìn)后的模型如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后的伸縮套筒模型

5.2 優(yōu)化后的拉臂機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

5.2.1 裝箱工況分析

優(yōu)化后模型的應(yīng)力分布與變形量情況如圖10、圖11所示，其最大應(yīng)力為268.37 MPa，,與未優(yōu)化前的拉臂機(jī)構(gòu)裝箱過程相比，最大應(yīng)力值減小了81.42 MPa，減小幅度為23.3%，且滿足強(qiáng)度要求。最大變形量為12.643 mm，與未優(yōu)化前的拉臂機(jī)構(gòu)裝箱過程相比，最大變形量減小了1.477 mm，減小幅度為10.46%。

5.2.2 卸箱工況分析

優(yōu)化后的模型，其應(yīng)力與變形量分布情況如圖12、圖13所示，優(yōu)化后其最大應(yīng)力為355.85 MPa，與未優(yōu)化時(shí)拉臂機(jī)構(gòu)卸箱過程相比，最大應(yīng)力值減小了114.78 MPa，減小幅度為24.9%，優(yōu)化后拉臂機(jī)構(gòu)的安全系數(shù)為1.55，此時(shí)的拉臂機(jī)構(gòu)符合強(qiáng)度要求；最大變形量為12.015 mm，與未優(yōu)化前的拉臂機(jī)構(gòu)卸箱過程相比，最大變形量減小了1.593 mm，減小幅度為11.7%。

圖10 優(yōu)化后拉臂機(jī)構(gòu)在裝箱過程的應(yīng)力分布

圖11 優(yōu)化后拉臂機(jī)構(gòu)在裝箱過程的變形量分布

圖12 優(yōu)化拉臂機(jī)構(gòu)卸箱過程中的應(yīng)力分布

圖13 優(yōu)化后拉臂機(jī)構(gòu)在裝箱過程的變形量分布

6 結(jié)論與展望

文中在拉臂機(jī)構(gòu)力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了拉臂機(jī)構(gòu)裝箱過程和卸箱過程的靜態(tài)、動態(tài)特性分析研究，為拉臂機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)良好的理論基礎(chǔ)，主要結(jié)論如下：

1）對拉臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特性分析，計(jì)算得出拉臂鉤手在裝、卸箱過程的最大載荷；建立了拉臂機(jī)構(gòu)有限元模型，通過對拉臂機(jī)構(gòu)裝、卸過程的靜態(tài)有限元分析，得出拉臂機(jī)構(gòu)應(yīng)力集中部位，以及在不同過程中的最大應(yīng)力值，并對拉臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析以探討其動態(tài)性能。

2）有限元模態(tài)分析結(jié)果表明該拉臂機(jī)構(gòu)前十二階固有頻率在要求的頻率范圍內(nèi)，有效避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生，故整個(gè)拉臂機(jī)構(gòu)滿足動態(tài)特性的條件，符合拉臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，并為改進(jìn)拉臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3）結(jié)合前期對拉臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行的靜力學(xué)分析結(jié)果，對拉臂機(jī)構(gòu)的伸縮套筒和伸縮套筒與拉臂下部折彎的連接處進(jìn)行了改進(jìn)，裝、卸應(yīng)力幅度分別減小23.3%與24.9%，最大變形量分別降低了10.46%與11.7%，提高了拉臂機(jī)構(gòu)的工作強(qiáng)度與可靠性，為確保該產(chǎn)品正常使用提供依據(jù)。