殷超，沈輝，孫明珠，張猛，韋夢圓，凌曦

基于響應(yīng)面法的廚余車提料臂輕量化設(shè)計

殷超，沈輝*，孫明珠，張猛，韋夢圓，凌曦

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

為提高廚余垃圾車工作效率和性能，設(shè)計一種新型側(cè)裝式垃圾車的提料機(jī)構(gòu)。在SolidWorks中建立提料機(jī)構(gòu)三維模型并將其導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，找到提料過程中的危險工況節(jié)點(diǎn)，對提料臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析和輕量化設(shè)計，分析結(jié)論已有效指導(dǎo)生產(chǎn)。

廚余垃圾車；提料機(jī)構(gòu)；輕量化設(shè)計；仿真分析

1 前言

廚余垃圾車是提高廚余垃圾運(yùn)輸效率和保護(hù)環(huán)境的特種車輛[1]。提料機(jī)構(gòu)是廚余垃圾車的重要組成部件，國內(nèi)外學(xué)者對提料機(jī)構(gòu)液壓缸安放位置以及機(jī)構(gòu)性能做了仿真研究，取得一些研究成果，但在輕量化方面提及較少。合理的優(yōu)化設(shè)計對于提高提料機(jī)構(gòu)效率，降低成本具有重要意義。

2 提料機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真

提料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由提料臂、頂蓋支架、液壓油缸、軌道、支撐架等組成[2]。在做動力學(xué)仿真時，根據(jù)提料機(jī)構(gòu)實際運(yùn)動情況設(shè)置驅(qū)動函數(shù)為STEP（time，0，0，8，420）[3]。仿真時間為8秒，步數(shù)為100。為使垃圾桶的運(yùn)動過程更加清晰直觀，在垃圾桶質(zhì)心處創(chuàng)建一個Marker點(diǎn)以得到垃圾桶質(zhì)心在整個運(yùn)動過程中的運(yùn)動軌跡[4]。如圖2所示。垃圾桶質(zhì)心運(yùn)動軌跡主要由直線段和圓弧段組成與主導(dǎo)軌形狀一致。與實際提料過程垃圾桶運(yùn)動軌跡相一致。

對提料機(jī)構(gòu)中的提料臂和液壓油缸鉸接點(diǎn)、提料臂和拉桿鉸接點(diǎn)處受力情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。在t=5.65s時，提料臂處于危險工況，提料臂受力最大，提料臂受拉桿的拉力為F1=1936N，活塞桿對提料臂的推力F2=18975N。

1-提料臂 2-頂蓋支架 3-液壓油缸 4-主軌道 5-副軌道 6-主支撐架 7-撐桿支架 8-拉桿 9-滑動支撐架 10-掛桶支架 11-垃圾桶

圖2 垃圾桶運(yùn)動軌跡示意圖

圖3 提料臂與活塞桿鉸接處隨時間變化受力圖

圖4 提料臂與拉桿鉸接處隨時間變化受力圖

3 提料臂的優(yōu)化設(shè)計

選用材料為Q345鋼，對提料臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由前述對提料臂危險工況的力學(xué)分析，分別在提料臂孔1處施加力F1=1936N，孔2處施加力F2=18975N，孔3處施加一個圓柱約束。同時設(shè)定各約束方向。提料臂受地球引力，取g=9.8m/s-2，G=261.2N，方向豎直向下。提料臂前處理如圖5所示。

圖5 提料臂網(wǎng)格劃分及約束圖

經(jīng)限元分析，可以看出提料臂應(yīng)力集中主要在整體中部與下部，尤其是鉸耳根部位置。最大等效應(yīng)力為131.32Mpa，最大形變?yōu)?.0006567mm。在保證提料臂正常提拉功能的前提下，結(jié)合企業(yè)減重降本的需求對提料臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖6 提料臂等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變云圖

3.1 優(yōu)化模型建立

優(yōu)化設(shè)計模型包括：目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量、可行域和約束條件等。在SolidWorks中對提料臂建立參數(shù)化模型，如圖7所示。

圖7 提料臂參數(shù)化模型

選取提料臂的左大臂內(nèi)圓弧直徑P1、左大臂外圓弧直徑P2、提料臂臂寬P3、鉸耳圓弧直徑P4、鉸耳圓弧直徑P5、提料臂臂厚P6等6個參數(shù)作為尺寸優(yōu)化參數(shù)，即優(yōu)化設(shè)計變量。優(yōu)化設(shè)計變量選擇為[x1，x2，x3，x4，x5，x6]T=[P1，P2，P3，P4，P5，P6]。

在ANSYS Workbench中可以利用其Design Exploration模塊得到各個輸入?yún)?shù)關(guān)于輸出參數(shù)的敏感度。如圖8所示。

圖8 參數(shù)敏感性

由圖可以看出各個參數(shù)對于輸出變量的影響不同。其中P3對于質(zhì)量的正向敏感度最大，P1對于質(zhì)量的負(fù)向敏感度最大。同時P3對于最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變負(fù)向敏感度最大，P1對于最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變正向敏感度最大。其余各個輸入?yún)?shù)對于三個輸出變量均存在敏感響應(yīng)，故P1，P2，P3，P4，P5，P6+均為設(shè)計變量。

3.2 目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計變量確立

提料臂參數(shù)化設(shè)計的目的是在保證提料臂正常工作的前提下，也就是最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變在材料允許范圍之內(nèi)，盡量減小減輕其質(zhì)量。因此目標(biāo)函數(shù)為：

M（x）min= f（X1，X2，X3，X4，X5，X6） （1）

其中Xi=Pi，i=1.2.3.4.5.6；M（x）為質(zhì)量關(guān)于關(guān)于設(shè)計變量的函數(shù)；P1，P2，P3，P4，P5，P6+為各設(shè)計變量。

3.3 可行域確立

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計選項并結(jié)合工程經(jīng)驗，允許各參數(shù)在初始值基礎(chǔ)上浮動±10%進(jìn)行優(yōu)化計算。

3.4 約束條件確定

根據(jù)提料臂設(shè)計要求和所用材料的屬性，給出相應(yīng)的約束條件：V（x）max≤172.5Mpa，其中V（x）為等效應(yīng)力目標(biāo)函數(shù)最大值。

3.5 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計

響應(yīng)面優(yōu)化系統(tǒng)（Response Surface Optimization）是DX中基于響應(yīng)面結(jié)果的目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化系統(tǒng)，可以從響應(yīng)面結(jié)果中自動獲取最優(yōu)的備選設(shè)計方案[6]。基于以上的優(yōu)化參數(shù)模型，采用ANSYS Workbench中的Response Surface Opitimiza -tion模塊進(jìn)行試驗分析，采用中心復(fù)合設(shè)計法生成了45個設(shè)計樣本點(diǎn)。每一個設(shè)計點(diǎn)即是一種設(shè)計方。

為了進(jìn)一步探究設(shè)計變量與優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，利用生成的45個樣本點(diǎn)，擬合構(gòu)造設(shè)計變量與優(yōu)化目標(biāo)的響應(yīng)面?，F(xiàn)以P2，P4，P5，P6不變，分別生成P1，P3對質(zhì)量最大等效應(yīng)力、最大等效應(yīng)變的響應(yīng)曲面，如圖9所示。

圖9 參數(shù)響應(yīng)面圖

表1 優(yōu)化方案

由圖可以看出質(zhì)量隨P1增大而減小，隨P3增大而增大。最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變均隨P1增大而增大，隨P3增大而減小，此結(jié)果和參數(shù)靈敏度分析一致。基于以上分析，采用目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化中的篩選法，設(shè)定樣本數(shù)為10000，以最大等效應(yīng)力、最大等效應(yīng)變和質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行Pareto 最優(yōu)解集的搜索。在優(yōu)化時賦予質(zhì)量的權(quán)重最高，最大等效應(yīng)力次之。求解完成后得到一組Pareto最優(yōu)解集，同時得到提料臂質(zhì)量、最大等效應(yīng)力及最大等效應(yīng)變個目標(biāo)函數(shù)的權(quán)衡圖從Pareto前沿中選取3 個最優(yōu)解作為備選優(yōu)化設(shè)計點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

提料臂的優(yōu)化重點(diǎn)在于減輕質(zhì)量，提高安全系數(shù)，綜合對比三種方案后，方案2在與其他方案減重相差無幾的情況下，在減小最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變上有明顯優(yōu)勢。

結(jié)合實際生產(chǎn)和選材，將方案二的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，結(jié)果如表2所示。

表2 方案對比

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，微調(diào)方案二比原方案質(zhì)量減輕了11.2%，最大等效應(yīng)力減小了12.8%，最大等效應(yīng)變減小了29.2%。實現(xiàn)了最初的優(yōu)化目標(biāo)。

4 樣機(jī)試制

物理樣機(jī)如圖所示，實驗器材如下：海沃HFC205環(huán)衛(wèi)車一輛、提料系統(tǒng)物理樣機(jī)，測速儀、加速度儀及三坐標(biāo)測量儀。首先進(jìn)行空載試驗，確定其能順暢完成提料循環(huán)，再加入約240kg水代替垃圾進(jìn)行試驗。

圖10 樣機(jī)試驗圖

經(jīng)觀察，實驗過程中無水漏出現(xiàn)象；工作過程平穩(wěn)、無卡滯異響；卸料干凈徹底。試驗后觀察樣機(jī)部件，如產(chǎn)生變形，可用三坐標(biāo)測量儀測量變形量。提料系統(tǒng)在回落過程中出現(xiàn)震動現(xiàn)象，可通過加裝緩沖墊片解決該問題。

5 總結(jié)

（1）采用三維設(shè)計軟件Solidworks對垃圾車提料機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，運(yùn)用Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，驗證了機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性并找出機(jī)構(gòu)核心部件提料臂的危險工況位置用Ansys Workbench進(jìn)行有限元分析。

（2）在Ansys Workbench中建立提料臂的優(yōu)化模型，引入靈敏度分析確定優(yōu)化變量，采用響應(yīng)面優(yōu)化法以質(zhì)量，最大等效應(yīng)力，最大等效應(yīng)變?yōu)槟繕?biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化后提料臂質(zhì)量減輕了11.2%，最大等效應(yīng)力減小了12.8%，最大等效應(yīng)變減小了29.2%。達(dá)到了產(chǎn)品的輕量化目的。

[1] 閔海華,劉淑玲,鄭葦,王琦,康建邨.廚余垃圾處理處置現(xiàn)狀及技術(shù)應(yīng)用分析[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2016,24(06):5-7+10.

[2] 孫洪山.一種小型側(cè)裝壓縮式垃圾車的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].專用汽車, 2014(05):102-104.

[3] 王福興,柏山清.基于Solidworks的Adams的仿真應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī),2017,48(10):112.

[4] 韓以倫,郭喚喚,鄭輝.垃圾車提料機(jī)構(gòu)ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2018(07):184-187.

[5] 程彬彬,黃美發(fā),吳常林,吳芬,劉思遙.基于ANSYS Workbench的龍門銑床橫梁多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2015(02):10-12+16.

[6] 曾漾,周俊,沈志遠(yuǎn),于梓賢,陳昊,郁榮.基于響應(yīng)面法的復(fù)合材料艙壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J/OL].重慶大學(xué)學(xué)報:1-7[2020-06-15].

Light Weight Design of Kitchen Waste Truck's Lifting Arm based on Response Surface Method

Yin Chao, Shen Hui*, Sun Mingzhu, Zhang Meng, Wei Mengyuan, Ling xi

（School of mechanical engineering, Yangzhou university, Jiangsu Yangzhou 225000）

In order to improve the efficiency and performance of kitchen waste garbage truck, a new kind of material lifting mechanism of side loading garbage truck was designed. The three-dimensional model of the lifting mechanism is established in SolidWorks and imported into ADAMS for kinematics and dynamics simulation, so as to find out the nodes of dangerous working conditions in the process of lifting, carry out the finite element analysis of the lifting arm structure and carry out the lightweight design, and the analysis conclusion has effectively guided the production.

Kitchen waste garbage truck;Lifting mechanism;Simulation analysis; Lightweight design

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.017

U463.32

B

1671-7988(2021)04-56-04

U463.32

B

1671-7988(2021)04-56-04

殷超，碩士研究生，揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，研究方向：車身結(jié)構(gòu)與流體研究。

沈輝，揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。