張歐

上海環(huán)境物流有限公司 上海 200333

1 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國生活垃圾數(shù)量逐年遞增。中國已超越美國成為全世界廢棄物產(chǎn)量最大的國家[1], 垃圾轉(zhuǎn)運與處理成為急需解決的問題[2-3]，上海市垃圾轉(zhuǎn)運主要使用聯(lián)運式轉(zhuǎn)運集裝箱。集裝箱轉(zhuǎn)運過程中存在車輛加減速、集裝箱堆碼、吊裝等工況[4-5]。目前在轉(zhuǎn)運過程中有滲瀝液泄漏的情況，會對環(huán)境產(chǎn)生一定影響[6-7]。

密封條在集裝箱密封中起關(guān)鍵作用，集裝箱用密封條是典型的壓縮型密封條，在密封過程中存在較復(fù)雜的受力變形情況，設(shè)計階段需著重考慮其壓縮負(fù)荷，以滿足要求[8]，研究者們主要使用有限元分析軟件對密封條結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。蔣明明將遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合, 得出密封條結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與壓縮負(fù)荷、應(yīng)力等的非線性全局映射關(guān)系[9]。付治存利用ANSYS軟件對密封條進行了結(jié)構(gòu)分析，通過對密封條的結(jié)構(gòu)尺寸重新設(shè)計，以及對應(yīng)力變形進行計算，最終使密封條的壓縮負(fù)荷滿足了設(shè)計目標(biāo)要求[10]。陶志軍等利用非線性有限元軟件MSC、MARC模擬車窗密封條亮條與本體的安裝過程，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格處理方法對結(jié)果有著顯著影響，并通過與3D模型和成品試驗結(jié)果的對比，調(diào)整圓角處網(wǎng)格尺寸，同時對接觸部位的網(wǎng)格尺寸及質(zhì)量進行嚴(yán)格控制，以得到較好的模擬結(jié)果[11]。王斌等基于密封條的優(yōu)化改進，對密封條的斷面進行了優(yōu)化設(shè)計，并利用CAE軟件進行理論分析,通過對密封條斷面的優(yōu)化設(shè)計和車門內(nèi)間隙的調(diào)整，成功優(yōu)化了某款轎車的車門關(guān)閉力[12]。趙建才等利用非線性有限元法分析了密封條的壓縮受力變形特性，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理對密封條橫截面形狀進行了優(yōu)化[13]。結(jié)果表明，在壓縮的3個階段，密封條結(jié)構(gòu)中，下泡管左側(cè)和上下泡管連接處承受了較大的變形。劉紅波等探討了兩項乘用車尾門密封條設(shè)計防漏水設(shè)計方法,以及尾門漏水問題排查的一般方法，通過實例對密封面輪廓突變情況下的漏水問題進行了排查，并運用有限元仿真方法，對密封條截面進行了優(yōu)化設(shè)計[14]。

目前針對車用密封條進行優(yōu)化設(shè)計的研究較多，但對垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱用密封條及其在轉(zhuǎn)運過程中的密封性能的研究較少。因此，本文基于某公司目前所使用的二代垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱，建立了集裝箱和密封條的三維幾何模型，并對其在轉(zhuǎn)運過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況進行了分析，得出了集裝箱在堆碼、吊裝和加減速工況下的應(yīng)力分布以及變形情況，并對比分析了優(yōu)化前后密封條的性能，優(yōu)化后密封條所使用材料為TPEE。

2 有限元模型

2.1 模型建立

本文所分析集裝箱為某公司在虎林路碼頭應(yīng)用的集裝箱，其主要任務(wù)為將中轉(zhuǎn)站垃圾轉(zhuǎn)運至碼頭，然后應(yīng)用貨船運至指定地點，集裝箱的實體圖如圖1(a)所示，圖1(b)為密封條安裝圖。根據(jù)測量集裝箱的實體尺寸，應(yīng)用CATIA軟件對箱體箱門以及密封條進行建模，幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型

集裝箱箱體及箱門材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼，采用四面體劃分，單元尺寸為40 mm，劃分后箱體節(jié)點數(shù)為877645，單元數(shù)為451630，網(wǎng)格劃分如圖3(a)所示；箱門節(jié)點數(shù)為106571，單元數(shù)為58142，網(wǎng)格劃分圖如圖3(b)所示，單元翹曲變形較小，網(wǎng)格質(zhì)量較好。為驗證節(jié)點數(shù)對有限元分析的影響，本文分別取35 mm、40 mm、45 mm3種不同精度的網(wǎng)格尺寸劃分方法對箱體進行網(wǎng)格劃分，應(yīng)力云圖如圖4所示。取門框處應(yīng)力作對比，如圖5所示，網(wǎng)格尺寸為40 mm時，網(wǎng)格尺寸上下浮動12.5%，門框處的應(yīng)力變化不超過3%，滿足網(wǎng)格獨立性要求。

圖3 模型網(wǎng)格

圖4 應(yīng)力云圖

圖5 網(wǎng)格獨立性研究

2.2 集裝箱轉(zhuǎn)運工況分析

2.2.1 堆碼工況

轉(zhuǎn)運集裝箱的箱體結(jié)構(gòu)主要由結(jié)構(gòu)鋼組成，其幾何尺寸為長6058 mm、高2438 mm、寬2438 mm，屬于國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱中的1C型。轉(zhuǎn)運集裝箱為典型的特種集裝箱，該箱自重約3.4 t，額定裝載量為17 t。堆碼工況下，堆碼的集裝箱為三層。在ANSYS中，設(shè)置集裝箱上表面所受均布載荷為399840 N，固定底面4個底腳。

2.2.2 吊裝工況

吊裝工況下，吊車通過吊繩吊起集裝箱，將集裝箱從碼頭運到貨船上，集裝箱主要是4個頂角受力，箱體吊裝過程速度較慢，可視為勻速運動，吊裝力為箱體的自重加裝載質(zhì)量。箱體所受的總拉力為箱體總質(zhì)量20.4 t。在ANSYS中，設(shè)置4個頂角上載荷為199920 N，模擬箱體進行吊裝運動。設(shè)置箱體底部內(nèi)表面均布載荷為166600 N，模擬集裝箱內(nèi)垃圾質(zhì)量。

2.2.3 加減速工況

轉(zhuǎn)運過程中，車輛加減速所產(chǎn)生慣性力會使垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱產(chǎn)生變形。本研究采用英國OXTS公司的RT2000慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)記錄轉(zhuǎn)運車輛的運動軌跡，慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)RT2000如圖6(a)所示，圖6(b)為裝車試驗圖。試驗得到的轉(zhuǎn)運車輛加速度數(shù)據(jù)如圖7所示，取轉(zhuǎn)運車輛啟動時最大加速度0.886 m/s2進行計算分析。本工況主要分析箱門處的變形以及應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)實際裝載情況，垃圾的最大裝載高度為箱門高度的2/3左右，因此均布載荷施加在箱門下部2/3處，固定側(cè)邊鉸鏈以及卡扣。

圖6 加減速工況試驗

圖7 加速度曲線圖

3 有限元結(jié)果分析

3.1 密封條密封情況分析

垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱箱門和箱體之間依靠密封條進行密封，根據(jù)CJ/T《496-2016垃圾專用集裝箱》[15]中集裝箱的密封性要求，計算可知，密封條和箱體之間單位長度接觸力最小為7759 N/m。

圖8(a)為虎林路碼頭目前使用密封條的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)實際工況可知，密封條所受載荷為垃圾滲濾液的壓力和鉸鏈的密封力，其中密封力以位移載荷的形式體現(xiàn)，設(shè)3種工況下的壓縮量都為5 mm。結(jié)果表明，在5 mm的壓縮量(門縫間隙10.5 mm)時，單位長度密封條的接觸應(yīng)力為8217.5 N，能夠滿足7759 N的最小接觸力，圖8(b)為密封條的接觸力圖，計算可得密封條與箱體的接觸長度僅為26.5 mm，接觸面積較小，如果有異物雜帶或受力變形等情況，容易出現(xiàn)密封不嚴(yán)導(dǎo)致漏液。由圖8(c)可知，密封條內(nèi)部應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為5.6 MPa。較高的應(yīng)力容易引起密封條的機械老化，出現(xiàn)永久變形或是局部撕裂，進而降低密封條壽命，影響密封效果。

圖8 優(yōu)化前密封條

本文根據(jù)材料優(yōu)化后的密封條，對密封條的高度、上下寬度、唇邊寬度、唇邊高度、內(nèi)空形狀及倒角等截面形狀參數(shù)進行了優(yōu)化。圖9是優(yōu)化的過程方案，最終形成現(xiàn)階段優(yōu)化方案如圖9(c)所示，優(yōu)化后的密封條結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖10(a)所示。在相同壓縮量下，密封條的最大內(nèi)應(yīng)力和平均內(nèi)應(yīng)力分別降低了9.8%和48%。在滿足最小接觸力的情況下，以相對小的接觸應(yīng)力獲得了較長的接觸長度，約為31.4 mm，在少5%的接觸力下增加了19%的接觸長度。

圖9 密封條優(yōu)化過程

圖10 優(yōu)化后密封條

3.2 轉(zhuǎn)運工況分析

3.2.1 堆碼工況分析

堆碼工況下，箱體的變形以及應(yīng)力情況如圖11所示。箱體的變形主要集中在箱體上端面，最大變形為0.92 mm，靠近上端面的中心處。本工況主要對箱門進行研究，從圖中可知箱門處的變形主要是上邊框變形。側(cè)邊框以及底邊框變形較小，在0.6 mm以內(nèi)。堆碼工況下，箱體的應(yīng)力主要是集中在箱體上端面，最大應(yīng)力為37.1 MPa，在箱體上端面，箱門處的應(yīng)力基本在12 MPa以內(nèi)。

圖11 堆碼工況分析

3.2.2 吊裝工況分析

吊裝工況下，變形和應(yīng)力如圖12所示。箱體的變形主要集中在箱體底面，在箱門底框也有相應(yīng)的變形，箱體最大位移為1.8 mm，在箱體的底面中心處。本工況主要分析箱門處變形，箱門變形在0.40 mm以內(nèi)。應(yīng)力主要集中在箱體底面，最大應(yīng)力為54.2 MPa，在箱體底面 中心處。兩側(cè)邊框也有相應(yīng)應(yīng)力，應(yīng)力在18 MPa以內(nèi)。

圖12 吊裝工況分析

3.2.3 加減速工況分析

加減速工況下，主要分析箱門的變形和應(yīng)力狀態(tài)。如圖13所示，箱門的變形主要在箱門的中下部，箱門無加強筋處變形最為嚴(yán)重，最大變形為0.83 mm。箱門沿X、Y方向的變形不會對密封條的密封產(chǎn)生影響，沿Z軸方向的變形會影響箱體的密封。因此，本工況主要研究箱門沿Z軸方向的變形情況。圖13(b)為箱門Z方向的變形情況，最大變形在0.5 mm以內(nèi)。此工況下產(chǎn)生的應(yīng)力在整個箱門處都有分布，最大應(yīng)力為40.1 MPa，在箱門側(cè)邊下部。

圖13 加減速工況分析

3.3 轉(zhuǎn)運工況對密封的影響分析

堆碼工況的變形主要集中在箱體中部，最大變形為0.92 mm。門框處的變形主要集中在上橫杠處，側(cè)邊框以及底邊框變形較小，對箱體密封不會產(chǎn)生影響。吊裝工況下的變形主要集中在箱體中部，最大變形為1.8 mm，箱門處變形在0.4 mm以內(nèi)，此處應(yīng)變不會對箱門密封產(chǎn)生影響。門框底邊雖然有一定的變形，但是變形是沿Y方向的，不會對密封條的密封產(chǎn)生影響。加減速工況下，箱門在Z方向的變形主要集中在箱門處，最大變形為0.73 mm，在箱門下部，沿Z方向的最大變形不超過0.5 mm。這一變形的影響可以通過密封條的優(yōu)化設(shè)計來彌補。

優(yōu)化后的密封條經(jīng)過4個月的裝車使用，未發(fā)現(xiàn)明顯變形或損壞。圖14為使用4個月后的集裝箱情況，堆碼工況下也未發(fā)現(xiàn)明顯滲瀝液的出現(xiàn)。

圖14 密封條裝車試驗

4 結(jié)語

本文對垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱箱體、箱門以及密封條進行了建模，分析了集裝箱在3種轉(zhuǎn)運工況下的變形情況，并針對其變形情況對密封條進行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的密封條通過裝車試驗?zāi)軌蚪鉀Q垃圾轉(zhuǎn)運集裝箱在轉(zhuǎn)運過程中存在的滲濾液泄漏情況。本文主要研究如下：

a. 優(yōu)化后密封條的最大內(nèi)應(yīng)力和平均內(nèi)應(yīng)力分別降低了50%和66%；

b. 三種工況下，堆碼和吊裝工況對箱體密封影響較小，加減速工況對箱體密封影響較大；

c. 通過優(yōu)化設(shè)計密封條的幾何特征和尺寸，能很好地解決轉(zhuǎn)運過程中滲濾液泄漏的情況。