摘要：推板是后裝壓縮式垃圾運輸車的核心零件之一，直接關系到運輸車的裝載量和使用可靠性。針對垃圾運輸車的推板普遍存在設計笨重的問題，首先建立推板的有限元模型，對其進行靜力學分析，得出推板的應力和位移情況；然后以最小質量為目標，以等效應力和最大位移為約束條件對推板的10個重要參數尺寸進行優(yōu)化。優(yōu)化結果顯示，優(yōu)化后的推板骨架等效應力比優(yōu)化前降低了5.4%，質量下降21.6%。推板質量得到明顯降低，性能滿足設計要求，為后裝式壓縮垃圾車推板的優(yōu)化研究提供參考。

關鍵詞：運輸車；尺寸優(yōu)化；結構設計；輕量化

中圖分類號：U469.6 收稿日期：2024-08-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.010

1 前言

隨著城鎮(zhèn)化率的提升和生活質量的提高，國內的年總垃圾產生量已經達到18億t，并且該數字還在不斷大量增長，垃圾年增長率達10%～15%[1]。在此背景下，后裝壓縮式垃圾車作為一種靈活、高效的垃圾收集和運輸工具，得到了廣泛的應用[2]。

后裝壓縮式垃圾車是一種與垃圾壓縮中轉站配套使用的環(huán)衛(wèi)專用車輛，主要用于各環(huán)衛(wèi)市政運載各種垃圾。推板作為壓縮式垃圾車中的重要部件之一，在垃圾的壓縮和卸載過程中起到至關重要的作用。由于裝載的垃圾量不同，對推板的強度也有不同要求。在垃圾壓縮和推卸動作過程中，由于推板會承受來自垃圾的較大反力，很容易產生不同程度的變形，導致垃圾車壓縮機構的壓縮性能下降，垃圾的填裝和卸料工作效率降低，最終影響垃圾車車廂的裝載容量，所以對推板的研究是垃圾車設計的重要環(huán)節(jié)之一[3]。

本文的研究對象為某垃圾車的鋼制推板，仿真分析推板的靜強度與最大變形量?；诮当驹鲂У囊螅跐M足強度與變形的前提下，本文采用尺寸優(yōu)化分析方法，找出對推板的10個重要零件參數進行優(yōu)化，以達到降低推板質量的目的。

2 推板有限元分析

2.1 推板有限元模型的創(chuàng)建

建模時，僅需抓住研究對象問題的本質，并對原始模型進行適當簡化，有利于提高仿真效率及質量。推板上的防撞塊、油嘴安裝支座、兩側的密封板，能夠起到一定的輔助作用，對模型的受力影響甚小，進行有限元建模時可忽略。推板主要由構架骨架、側部鋼管、橫拉鋼管、角鐵、導軌骨架合件、角撐板、底部骨架合件拼接后焊接制成。

通過關注推板整體結構的特性研究，而非關注局部的焊縫問題，可利用剛性單元來模擬各部件之間的焊接關系（即力傳遞方式），此簡化方式對所關注的有限元特性結果保真的同時，能較大程度地提高求解速度。推板總成中，處理油缸支座為鑄件，利用實體單元來進行模擬，其他零件均為鈑金件，其特點為厚度方向尺寸較小，長和寬方向尺寸較大，采用面網格來模擬，既可以保證計算精度，又可以減少計算量。推板網格劃分完成后，節(jié)點數為36 484、單元數為39 050，如圖1所示。

推板材料為Q355B優(yōu)質碳素結構鋼，材料屬性為：彈性模量為210 GPa，質量密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3[4]。

2.2 邊界條件的設置

推板作為垃圾車的關鍵承載部件之一，主要受到推板油缸的推力作用，還有裝載垃圾時對推板前板的作用力，同時還受到導軌對推板的支持力。由于推板的行程較大，推板油缸采用的是多級缸的形式，液壓缸的行程越短時，液壓缸的推力越大。根據液壓缸的工作特性，當廂體內的垃圾接近裝滿，推板靠近廂體的最內側位置時，推板所受到的載荷最大，產生的變形最為嚴重。

垃圾車的液壓系統(tǒng)壓力為17.6 MPa，推板油缸為三級推桿油缸，最粗桿直徑（第一段桿）為90 mm，中間桿（第二段桿）直徑為70 mm，最細桿（第三段桿）直徑為50 mm。經計算，三段桿所能發(fā)揮出的最大推力分別為111.9 kN、67.7 kN和34.5 kN。垃圾裝載時，垃圾對推板的推力需要克服液壓油缸對推板的作用力以及推板與導軌之間的摩擦力，推板才能向廂體內側移動，因此，當液壓油缸推力為111.9 kN時，推板受到的載荷最大。推板在廂體內的移動速度緩慢，忽略其動載荷的影響，由于推板與導軌之間的摩擦力無法直接測量，取摩擦力的數值為12 kN（約為油缸最大推力的10%）。當推板緩慢移動時，垃圾對推板的前板的作用力與液壓油缸與推板的推力和推板與導軌之間的摩擦力相平衡。經計算，作用在推板前板上的壓力約為0.06 MPa。

根據推板的實際工作情況，對推板的油缸支座處進行位移固定約束，對推板導軌的側向摩擦塊施加左右向位移約束，對推板導軌的上下方摩擦塊施加垂直向位移約束，如圖2所示。在推板的前板與垃圾相接觸的一側施加均布壓力載荷，其大小為0.06 MPa，考慮到垃圾不能裝載到廂體的頂部，因此，載荷僅施加到距離底板1 100 mm處的位置，如圖3所示。

2.3 結果分析

對推板施加如圖2、圖3所示的約束后，求解得推板及其骨架的靜變形云圖和等效應力云圖，如圖4～圖6所示。

由圖4可看出推板最大變形量約為19.9 mm，其位置位于前板的中上部位置。這與實際工作情況相符，推板的寬度為1 830 mm，而且前板選用的是厚度為4.0 mm的鋼板，其剛度相對較弱，前板的大變形，并不影響其工作性能，只要推板的骨架變形在范圍內，就不會影響其工作。由圖5可看出推板骨架的最大變形量約為3.69 mm，其位置位于上管的中間位置，呈現位置越往下變形量越小的狀態(tài)。骨架的變形量，小于設計要求推板的骨架的許用變形量5.0 mm，說明當前推板滿足剛度設計要求，且存在較大的剛度冗余。

對推板結構應力特性研究可由材料的許用應力來進行評價，許用應力[σ]計算公式為：

[σ=σsns] （1）

式中，[σs]為材料屈服應力；[ns]為安全系數。

推板所用材料為Q355B，其屈服強度[σs]=355 MPa；考慮到推板作業(yè)環(huán)境及工況，取[ns]=1.1，計算出許用應力[σ]=322.7 MPa。由圖6可知，推板骨架的最大等效應力為332.9 MPa，位于側管與導軌的焊接處，此處應力略超出材料的許用應力，但大多數零件的應力都是遠低于許用應力的，說明推板結構需要進行尺寸優(yōu)化化研究，對應力超出許用應力的零件進行加厚，對應力較低的零件進行減厚，從而達到提高經濟性的目標。

3 推板尺寸優(yōu)化設計

對推板結構進行分析，發(fā)現推板在滿足設計要求前提下具有可優(yōu)化的空間。通過降低模型中部分板材的厚度來減少推板整體的重量，實現輕量化與低能耗的發(fā)展。利用OptiStruct尺寸優(yōu)化設計可得到在危險工況下符合強度與剛度的要求的最小車架質量。

3.1 尺寸優(yōu)化理論

尺寸優(yōu)化（Size Optimization），作為最經典的優(yōu)化技術之一，更應該叫作參數優(yōu)化，其設計變量包括殼單元的厚度、梁截面的面積和慣性矩、彈簧單元的剛度等。設計變量易表達，運用有限元法對結構進行尺寸優(yōu)化時基本不需要網格的重新劃分，這些都是尺寸優(yōu)化的特點[5]。

a.設計變量表達式為：

[p=C0+diCi] （2）

式中，p為屬性中需要優(yōu)化的字段；[C0]為設定大小的常值，一般為0；di為設計變量；Ci為每個設計變量前的線性系數。

若優(yōu)化屬性為厚度T，式（2）中設置[C0]＝0、[Ci]＝1，表達式變?yōu)椋?/p>

T=di （3）

b.在OptiStruct中定義變量關聯(lián)，可以通過Dlink卡片定義變量之間的線性求和關系，其表達式為：

[DDVID=C0+CMULT·i（Cig·IDVi）] （4）

式中，CMULT、IDVi分別為常數乘量、獨立變量的標識。

c.OptiStruct中通過可行方向法建立尺寸優(yōu)化近似模型[6]?？尚行苑椒ㄖ饕襟E分別是選擇可行的探索方向以及確定沿此方向下一個迭代點仍為可行點的步長，具體表達式為：

[xk+1=aSk+xk] （5）

式中，[S]為可行方向，可行性方法就是沿此方向進行逐次迭代；[a]為步長；[xk+1]與[xk]均為可行方向S上的可行點。每一次迭代都是按照目標函數下降的可行方向S的一維搜索。

3.2 推板尺寸優(yōu)化模型的建立

根據推板的等效應力云圖，選擇推板的10塊質量較大的零件進行尺寸優(yōu)化仿真，如圖7所示。

綜合考慮推板質量M、等效應力S和最大位移D位移性能指標，對推板骨架總成的10個厚度參數進行尺寸優(yōu)化設計，見表1所示。以質量最小作為優(yōu)化目標，以等效應力和最大位移為約束條件，優(yōu)化數學模型可表示為：

[min MP1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10]

[s.t.]

[Pimin≤Pi≤Pimax] （6）

[DP1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10≤5 mm]

[SP1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9，P10≤322.7 MPa]

3.3 推板尺寸優(yōu)化結果

尺寸優(yōu)化計算后，推板各零件厚度尺寸優(yōu)化結果如表2所示。由表2可以看出，只有導軌角撐板P8的厚度有所增加，其他設計變量的厚度相比優(yōu)化前均有所下降?？紤]到實際生產的要求，需要對結果進行圓整處理。

將圓整后的結果更新后進行仿真，推板骨架的位移云圖見圖8，其最大位移為4.90 mm；推板骨架的等效應力云圖見圖9，其最大等效應力為315 MPa。優(yōu)化后，推板骨架模型的最大位移和最大等效應力，均滿足設計要求。優(yōu)化前后的結果如表3所示。

由表3可得，優(yōu)化后的推板骨架等效應力比優(yōu)化前降低了5.4%，質量下降21.6%，最大位移增加32.8%。推板質量得到明顯降低，推板性能滿足設計要求。

4 結語

推板是后裝壓縮式垃圾車的重要零部件之一，其性能直接關系到垃圾車的裝載量、可靠性和經濟性。針對現有推板設計笨重的缺點，本文首先建立推板的有限元模型，對其進行靜力學分析，得出推板的應力和位移情況；然后以最小質量為目標，以等效應力和最大位移為約束條件對推板的10個重要參數尺寸進行尺寸優(yōu)化。優(yōu)化結果顯示，優(yōu)化后的推板骨架等效應力比優(yōu)化前降低了5.4%，質量下降21.6%。推板質量得到明顯降低，性能滿足設計要求，為后裝式壓縮垃圾車推板的優(yōu)化研究提供依據。

參考文獻：

[1]龐小蘭，姚嘉寧.后裝壓縮式垃圾車的車箱設計[J].專用汽車，2023（5）：45-50.

[2]曾艷.桶裝垃圾運輸車升降尾板機構的設計與研究[J].專用汽車，2024（6）：53-57.

[3]鄭雪飛，張瑩，馮棟彥.基于ANSYS的后裝壓縮式垃圾車推板有限元研究[J].南華大學學報（自然科學版），2015，29（3）：39-41.

[4]崔磊，王乃祥，劉鑫鑫，等.基于ANSYS的餐廚垃圾車推鏟結構強度分析[J].工程機械，2023，54（8）：69-72+9.

[5]王靜，馬愛敏，周冰冰.基于OptiStruct的集成框架強度分析及尺寸優(yōu)化[J].重型汽車，2020（3）：14-15.

[6]于梁，馬思群，溫佳澄.汽車起重機車架強度校核及尺寸優(yōu)化[J].機械，2024，51（7）：9-14.

作者簡介：

陳軍，男，1979年生，高級工程師，研究方向為環(huán)衛(wèi)車輛設計。