垃圾压缩机压缩机构的动力学仿真与优化设计
摘要：本文简要介绍了垃圾压缩机及其压缩机构的组成和工作原理，建立了垃圾压缩机压缩机构的三维模型，运用机械系统动力学分析软件ADAMS对该机构进行动态仿真分析，得到垃圾压缩机压缩机构主要运动部件的运动规律和各铰接点的载荷曲线，验证了油缸选型的正确性，为压缩机构的结构优化设计提供了重要参数。利用有限元分析软件，对推铲进行结构优化计算，使得推铲总质量得到显著降低。
关键词： 压缩机构;动态仿真;优化;ADAMS
引言
通过使用垃圾压缩机可以提高垃圾回收效率，在城市垃圾处理过程中，垃圾压缩机是非常重要的一种环卫工具，其使用相对简单，作业效率高，在垃圾处理方面，正在发挥着日益重要的作用[1]。
1、压缩机构的组成及工作原理
1.1 压缩机构的组成 垃圾压缩机压缩机构由厢体、液压油缸、上滑板、下滑板以及推铲五部分组成。液压油缸缸筒通过固定铰铰接于焊接在厢体上的安装座上，液压油缸杆通过活动较与推铲铰接，上滑板和下滑板通过自身滑块套装在厢体上的滑槽中。压缩机构的`组成如图1所示。
1.2 压缩机构的工作原理 垃圾压缩机的压缩机构可以简化为一个平面机构，在该机构中，液压油缸为压缩机构提供驱动力，推动推铲在厢体内往复滑动。参考图1中A向视图放大部分，推铲顶部突出的挡块与下滑板下部突出的挡板相互配合，使得推铲在往复运动过程中，带动下滑板在一定行程之内于厢体的滑槽中往复滑动。同理，下滑板顶部突出的挡块与上滑板下部突出的挡板相互配合，使得下滑板在往复运动过程中，带动上滑板在一定行程之内于厢体的滑槽中往复滑动。以厢体作为机架，略去上滑板和下滑板的压缩机构的机构运动简图如图2所示。
2、ADAMS仿真模型的建立
2.1 压缩机构三维实体模型 在本文的研究中，主要是通过Solidworks进行建模。建模过程遵循压缩机构自身的原理结构，采用自下至顶方法，通过建立各部件的三维实体模型，并通过装配完成该机构的整体建模[2-5]，如图3所示。
2.2 压缩机构ADAMS仿真模型 将Solidworks中建立的压缩机构三维实体模型导入ADAMS中，设置好单位和重力加速度以及各构件的材料和颜色，并添加运动副、驱动和推铲所受的垃圾载荷。完成上述前处理后，得到装载机构的ADAMS仿真模型如图4所示。
根据压缩机构实际应用情况，液压油缸驱动采用Step位移函数添加在液压油缸缸筒与缸杆之间的滑移副上，用以控制油缸行程和往复动作时间[6]，驱动函数为：
STEP(time，0，0，31，550)+STEP(time，31，0，34，0)+STEP(time，34，0，55，-550)
根据压缩机构实际运行情况，确定推铲受垃圾反作用力函数，亦采用Step函数：
STEP(time，0，0，31，294200)+STEP(time，31，0，34，0)+STEP(time，34，0，36，-294200)
3、压缩机构的动力学仿真分析
3.1 压缩机构动力学仿真 在ADAMS中采用交互式仿真分析模式，将仿真类型设置为动力学仿真(Dynamic)，设置仿真时间(End Time)为55s，仿真步数(Steps)30000。运行模型仿真[7-10]，仿真过程中的动画截图如图5所示。
3.2 压缩机构计算结果分析 在ADAMS/Postprocessor模块中得到压缩机构各测量结果曲线如图7-图11所示。
从图6中可知推铲在达到最大行程时，液压油缸载荷最大，为2.1×105N，此时对应的油缸夹角大小为43.9°。
推铲运行的平稳性是衡量压缩机构压缩性能的重要依据，通过测量得到推铲质心运动的速度与加速度曲线如图7、8所示，从图7、8可以看出推铲运动最大速度为75mm/s，最大加速度21.5/s2。推铲运行较为平稳，但存在骤然启、停特性，因此应该在推铲推出和退回到位位置增加减震措施，以减少压缩机构各组件间的冲击。
4、推铲有限元分析及结构优化
4.1 推铲有限元分析 在HyperMesh中，经有限元分析，推铲在极限工况下的位移和应力分布情况如图9和图10所示。[11]
从得到的极限工况下推铲的应力云图与位移云图中可以看出，在极限工况时，推铲最大位移出现在W型板的较大斜面上，其值为1.345mm，而推铲绝大部分区域结构应力值均在1.0×102MPa以下，在材料许可应力范围之内，初步判断该推铲结构能满足使用要求，但仍可以进行结构优化，适当减小结构应力较小部位的钢板厚度，同时调整推铲各部位形位参数，以减轻推铲总质量。
4.2 推铲结构优化及改进后有限元分析 由于推铲长期工作在有腐蚀性液体的恶劣环境中，且长时间与厢体摩擦，因此推铲所用材料在设计时除考虑自身强度和刚度，满足结构应力要求外，还应考虑推铲所用材料的腐蚀和磨耗。因此，在对推铲进行结构优化时，要根据有限元分析结果，并结合其实际运行情况，合理降低用钢厚度。
经有限元分析，得到结构优化后推铲极限工况的位移和应力分布情况如图11和图12所示。
4.3 推铲结构优化前后结果对比分析 推铲结构优化前后的结果对比，如表1所示。
从表1中可以看出，虽然推铲在极限工况下最大应力有所增加，但其最大结构应力在材料许用应力范围之内，推铲结构能满足使用要求，且优化后推铲总质量得到显著的降低，降低幅度达14.3%。
5、结束语
在本文的研究中，主要是使用机械系统动力学仿真软件ADAMS，建立了垃圾压缩机压缩机构的虚拟样机模型，并在此基础上，对其进行了动态仿真分析，得到其主要运动部件的运动规律和液压油缸的载荷曲线，验证了油缸选型的正确性，并为压缩机构中推铲的有限元分析提供了重要参数，通过推铲有限元分析及结构优化，使得推铲总质量得到显著降低，对相关研究具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]梁光明.拉臂式垃圾车垃臂机构动力学仿真分析与结构优化设计[D].广西大学硕士学位论文，2007.
[2]陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.