摘要：洗掃車(chē)箱體作為車(chē)身上裝的重要結(jié)構(gòu)，需要具備耐用的高可靠性。但在實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)水箱泄露，造成車(chē)輛作業(yè)里程縮短，地面二次污染等問(wèn)題。據(jù)此，通過(guò)對(duì)洗掃車(chē)優(yōu)化后的箱體水箱流固耦合及箱體焊合強(qiáng)度校核分析，提出優(yōu)化改善建議。

關(guān)鍵詞：洗掃車(chē)；水箱；泄露；防波板；流固耦合

中圖分類(lèi)號(hào)：U462 收稿日期：2024-07-29

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.016

1 前言

洗掃車(chē)為使用頻率最高、平均作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)的環(huán)衛(wèi)車(chē)輛之一，客戶(hù)對(duì)其性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)可靠性等都有較高的要求。洗掃車(chē)水箱為車(chē)身上裝的重要部件，需要具備有高度的耐用性，但在長(zhǎng)期的實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)泄露等問(wèn)題，不僅造成車(chē)輛作業(yè)里程縮短，而且使地面產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了洗掃車(chē)的使用。

2 箱體漏水問(wèn)題現(xiàn)狀

洗掃車(chē)一般通過(guò)隔板等結(jié)構(gòu)將箱體分為垃圾箱和水箱兩部分，水箱位于下方，垃圾箱位于上方。水箱內(nèi)部設(shè)置防波板（圖1），起到支撐和承受沖擊的作用。因防波板與箱體底板直接焊接，在實(shí)際使用過(guò)程中，箱體經(jīng)常出現(xiàn)焊接點(diǎn)部位漏水的現(xiàn)象，而整體采用不銹鋼焊接的箱體則在出現(xiàn)漏水時(shí)維修比一般的材料更加困難[1]。

合理的防波板結(jié)構(gòu)和數(shù)量能夠減少液體對(duì)箱體的沖擊，增強(qiáng)箱體的強(qiáng)度[2]?，F(xiàn)對(duì)箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)如圖2所示。優(yōu)化后的箱體對(duì)防波板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，在防波板上設(shè)計(jì)折彎以增加強(qiáng)度，增加防波板的面積，同時(shí)對(duì)防波板與底板的連接方式也進(jìn)行了調(diào)整，設(shè)計(jì)幾字形支撐座結(jié)構(gòu)（圖3），增加緩沖，降低防波板受力后拉扯底板造成的底板泄露風(fēng)險(xiǎn)。

3 箱體校核分析

箱體采用殼單元描述，單元尺寸10 mm；箱體各部件之間焊縫采用共節(jié)點(diǎn)方式連接，底框焊合及頂部框架焊接采用rbe2連接。整個(gè)水域各部件全部共節(jié)點(diǎn)，保證水域空間是封閉的，不允許遺漏焊縫面。

通過(guò)流體分析獲取整個(gè)水域的壓強(qiáng)載荷，映射到箱體模型上進(jìn)行加載[3]，箱體上面的垃圾區(qū)域抓取rbe3單元，垃圾（4 t）通過(guò)集中力方式加在rbe3中心處，模型如圖4所示。根據(jù)洗掃車(chē)的實(shí)際作業(yè)場(chǎng)景，選取沖擊工況、加速工況、制動(dòng)工況、轉(zhuǎn)彎工況四種工況進(jìn)行分析，如表1所示。

3.1 流場(chǎng)分析

本文采用的分析技術(shù)路線(xiàn)是首先進(jìn)行流體分析獲取水域壓強(qiáng)載荷，然后將獲取的壓強(qiáng)載荷映射到箱體有限元模型，在箱體有限元模型中施加約束及載荷，最后進(jìn)行靜力學(xué)分析。對(duì)高水位下的流場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5～圖8所示。

3.2 強(qiáng)度剛度分析

對(duì)箱體的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析[4]，得到四種工況下的最大應(yīng)力和最大位移。各分析工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在制動(dòng)工況，最大應(yīng)力463.6 MPa，最大位移8.706 mm；制動(dòng)時(shí)水瞬間向前沖擊，對(duì)箱體前側(cè)板造成較大壓力，因此箱體前側(cè)板與后板焊接處應(yīng)力較大，分析應(yīng)力圖如圖9所示。

3.3 模態(tài)分析

因箱體與風(fēng)機(jī)風(fēng)口通過(guò)橡膠墊連接，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)箱體的性能產(chǎn)生一定影響，同時(shí)因風(fēng)機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)也會(huì)對(duì)箱體的性能產(chǎn)生一定影響[5]。通過(guò)模態(tài)分析可以了解箱體在特定頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性評(píng)估提供依據(jù)[6]。

模態(tài)分析中的一階到六階模態(tài)代表了結(jié)構(gòu)在不同固有頻率下的振動(dòng)特性，從一階到六階逐漸深入揭示了結(jié)構(gòu)的整體和局部振動(dòng)行為，通過(guò)模態(tài)分析中的前六階模態(tài)可以評(píng)估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，并進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可以看出，側(cè)板頂部在第二階23.6 Hz和四階32.5 Hz固有頻率處振動(dòng)時(shí)振動(dòng)幅度較大，水箱防波板連接位置在第五階固有頻率處振動(dòng)時(shí)振動(dòng)幅度較大，如圖10所示。

3.4 基于頻響的振動(dòng)分析

X方向激勵(lì)時(shí)，在24 Hz下，防波板頻響應(yīng)力出現(xiàn)峰值。頻響應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域，如圖11所示。Y方向激勵(lì)時(shí)，在12 Hz下，箱體側(cè)板頻響應(yīng)力出現(xiàn)峰值。頻響應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域，如圖12所示。Z方向激勵(lì)時(shí)，在12 Hz下，箱體側(cè)板頻響應(yīng)力出現(xiàn)峰值。頻響應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域，如圖13所示。從分析結(jié)果可知，危險(xiǎn)頻率主要出現(xiàn)在12 Hz（縱向與垂向）與24 Hz（橫向）上，12 Hz容易與路面激勵(lì)耦合，24 Hz容易與怠速下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率耦合。同時(shí)，在振動(dòng)工況下，危險(xiǎn)點(diǎn)多出現(xiàn)在防波板、底板與縱梁的交叉焊接位置，這些位置需要在縱梁焊接時(shí)避開(kāi)交叉位置的焊接。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了洗掃車(chē)箱體在各工況基于流體作用與垃圾重量耦合作用的強(qiáng)度與剛度，制動(dòng)工況下最大應(yīng)力超出了材料的屈服強(qiáng)度，需要進(jìn)行改進(jìn)；同時(shí)對(duì)箱體的模態(tài)頻率和模態(tài)振型等進(jìn)行了校核分析，指出其薄弱點(diǎn)，整車(chē)共振振動(dòng)頻率需要避開(kāi)12 Hz和24 Hz。以上工作為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒思路。

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作者簡(jiǎn)介：

王寧，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)閷?zhuān)用車(chē)的研發(fā)設(shè)計(jì)。