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垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 摘要 垃圾转运站压缩机是生活垃圾压缩装载设备，它由机体结构和破碎机 构、挤压机构和压缩机构组成，y c n 0 6 5 g 型垃圾压缩机机构与结构分析及 优化设计是作者参与的校企合作项目，本文是该项目的研究论文。 提出了垃圾压缩机的能耗分析方法，根据该方法，给出了可不同程度 节能降耗的三种压缩机机构设计方案。为了更有效地减少结构变形应力与 降低结构重量，给出了一种以桁架为主力骨架的新型压缩机结构设计方案。 对具有优化后机构和新结构的垃圾压缩机进行了结构参数化建模和有限元 分析计算，并利用a n s y s 与导重法结合的优化方法在保证结构具有足够 强度的前提下，成功地对压缩机结构进行了最轻化设计。 经过机构优化和结构优化后，与原垃圾压缩机相比，使该垃圾压缩机 破碎机构与压缩机构转轴变形与运动摩擦能耗分别减少6 7 9 7 和4 2 5 7 ；垃圾压缩机结构在所有工况下的结构最大应力由4 2 3 姗a 下降到2 1 5 v i p a ，结构重量从3 6 1 9k g 下降到2 1 4 0k g ，减轻重量1 4 7 9k g ，减重4 1 ， 圆满完成了厂方要求节能降重任务。 关键词：垃圾压缩机机构优化设计导重法a n s y s 结构有限元分析 结构优化设计 a n a l y s i sa n d0 p t i m i z a t i o n o fm e c h a n i s ma n ds t r u c t u ef o rc o m p r e s s o r o f r e f u s et r a n s f e rs t a t i o n a b s t r a c t t h er e f u s et r a n s f e rs t a t i o nc o m p r e s s o ri st h et h ee q u i p m e n tf o rm u n i c i p a l s o l i dw a s t ec o m p r e s s i o na n dl o a d i n g ，w h i c hi s c o m p o s e db yf r a m e w o r k s t m c n l r e ，b r o k e nb o d i e s ，e x t r u s i o nb o d y ，c o m p r e s s i o nb o d y t h i sp r o j e c ti s c o o p e r a t e db ys c h o o la n de n t e r p r i s e ，a n dt h et h e s i si st h ed i s q u i s i t i o no ft h e p r o j e c t a c c o r d i n gt oan e wm e t h o do ft h ea n a l y s i st oe n e r g yc o n s u m p t i o n ，g e t t h r e ed i f f e r e n tc o m p r e s s o rm e c h a n i s md e s i g np r o g r a m so fv a r y i n gd e g r e e sf o r e n e r g ys a v i n g i no r d e rt oe f f e c t i v e l yd e p r e s sw e i g h ta n dd e c r e a s es t r e s s ，an e w s h a p em a i nf r a m e w o r ko ft r u s ss t r u c t u r ew a sg i v e n p a r a m e t r i cm o d e l i n ga n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h er e f u s ec o m p r e s s o rs t r u c t u r ew i t ht h eo p t i m i z e d m e c h a n i s ma n dn e ws t r u c t u r e ，a n dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o do fg u i d e w e i g h t m e t h o da n da n s y sc o m b i n e dw e r ea p p l i e di nt h ep r o je c t ，i nt h ep r e m i s eo f t h a tt h es t r u c t u r eh a ss u f f i c i e n tr i g i d i t ya n dd e f o r m a t i o no ft h es t r e s si n t e n s i t y ， s u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d t h ec o m p r e s s o rs t r u c t u r e sl i g h t e s td e s i g n t h r o u g ht h em e c h a n i s ma n ds t r u c t u r a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g n ， 6 7 9 7 a n d4 2 5 7 r e d u c t i o ni nb r o k e na n dc o m p r e s s i o nb o d y se n e r g y c o n s u m p t i o n ；a n dt h em a x i m u ms t r e s so fa l lt h ew o r kc o n d i t i o n si sd e c r e a s e d t o2 1 5m _ p af r o m4 2 3m p a ，t h ew e i g h ti sd e c r e a s e df r o m3 6 1 9k gt o2 1 4 0 k g ，l i g h t e dw e i g h t41 ，t h em a n a g e m e n t st a r g e to fe n e r g ys a v i n ga n dw e i g h t r e d u c i n gi sa c h i e v e ds a t i s f a c t o r i l y k e yw o r d s ：r e f u s et r a n s f e rs t a t i o nc o m p r e s s o r ；m e c h a n i s mo p t i m i z a t i o n d e s i g n ；g u i d e w e i g hm e t h o d ；a n s y s ；s t r u c t u r e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ； s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声蹰：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的。研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：霉知 硝年 ， 学位论文使用授权说明 | 移月w 日 l ， 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，e p , 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印剧本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印。缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口唧时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：红云蔗导师躲 广西大学硕士学位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设 十 1 1 垃圾压缩机的概述 第一章概述 近年来，生活垃圾的成分发生较大变化，其主要特点是：垃圾密度不断降低，可压 缩性增加。如果继续采用常规的垃圾运输方式，容易造成垃圾清运中的亏载，使垃圾转 运效率降低。垃圾压缩转运可以解决垃圾运输中的亏载问题，并降低垃圾运输费用，是 城市生活垃圾集运的发展方向【9 j 。我国建设部城市垃圾转运站设计规范明确规定： 垃圾运输距离超过二十千米时，就应设置大、中型垃圾压缩转运站。设置压缩式垃圾转 运设备能够有效降低单位垃圾的运费，而且由于城市道路的限制，垃圾转运车不可能大 量增加，因此建设压缩式垃圾转运设备是垃圾收集与转运的必然发展方向。 国外已经开发出多种形式的压缩式垃圾转运设备【5 】 技术比较成熟，但引进价格较 高，以美国为代表的机械度发达的国家，在垃圾收集清理的过程中就己经基本实现机械 自动化，一般由车直接收集清扫垃圾后运往垃圾处理厂进行处理。有的城市建立了城市 管道真空收集系统或大型垃圾转运站，其封闭性好，对环境无污染，自动化程度高，减 轻了工强度，但投资大，运行费用较高，暂时还不适合我国国情。 目前我国的环卫装备水平远远不能满足城市发展的需求，在环卫装备技术究也尚处 于起步阶段。我国应用最多的是中小型垃圾中转装置。随着我国垃圾年增加，如何及时、 方便地收集、储存、清运生活垃圾已引起全国各级环卫部重视，城市生活垃圾转运装置 的研制与改进也尤为迫切。垃圾经转运站不仅实现了垃圾运输的封闭化，而且提高了长 途运输的经济性，减少了车流量。近年来，垃圾转运装置己逐渐成为城市重要施。为此 发展适合我国特点的垃圾压缩转运设备具有较高的社会效益和经济效益1 2 j 。 中小型压缩式垃圾转运站可以实现对整个居民区的垃圾集中处理，机械化程度高， 没有垃圾暴露、臭气熏天、污水横流的现象，噪音对环境的影响小，现场条件清洁美观， 大大提高了居民区的环境质量；垃圾集装箱自动装卸，改善了清运工人的工作条件。适 合于中小型城市，具有广阔的市场和发展空间，是国内外垃圾清运的发展方向，是本文 研究的重点。现有压缩式垃圾转运站的主要缺点是垃圾压缩机结构不合理、能量损耗大、 可靠性比较低、压缩比较小、压缩行程相对于垃圾箱太短，有待于进一步研究和探索p j 。 j - - 西大学硕士学位论文 垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 1 2 机械机构分析与优化设计概述 为掌握机构的构成原理、运动性能和动力性能，对已有机构的构成、运动和动力三 方面所作的分析称为机构分析；在各种机械中，机构主要是用来传递与变换运动和动力 的，可用作传动机构、执行机构、以及检测和控制机构【6 】。任何机械产品都是由若干具 有一定质量与刚度的物件组成，通过可控运动利用机械能( 动能、势能) 完成其特定功 能的整体。它们都是包括起支承与受力作用的结构系统，完成可控运动的机构系统以及 液压、控制、电气等子系统组成的系统，结构系统与机构系统是任何机械系统必不可少 的主要子系统，其他子系统都是辅助子系统【i 】。由于机构系统的可控运动决定了产品功 能，为更好地实现机械产品的功能必须对其机构系统进行优化设计。又由于机构系统设 计决定了结构系统的基本形式，机构优化之后还必须对结构进行优化设计。 由于机械产品机构优化是为了更好地通过可控运动利用机械能实现产品功能，所以 机构优化的主要内容包括以下几个方面【l ，8 】： 1 通过提高运动精度更好地实现产品功能，以机构的运动学性态( 例如运动轨迹、 位移、速度、加速度和构件位置等) 达到预期状态为目标，而对其他一些设计要求如动 力特性、机构外轮廓尺寸等，则作为约束条件，通过机构优化使机构的运动轨迹、速度、 加速度等运动性态更好地满足预定设计要求，改善运动平稳性，以更好地实现产品功能。 2 在保证实现产品功能的前提下减低能耗。在保证实现产品功能的前提下，通过 机构优化，减少摩擦、变形以及种种不必要的无用能耗、提高产品的做功效率，减低产 品的总能耗。 3 通过机构优化，改善结构的受力变形和应力分布，减低结构的重量。 4 使机构完成特定动作时，其动力学参数最优。在这种优化中不仅要确定最佳的 运动学尺度参数，而且要求出力或力矩参数、惯量参数和弹性元件参数等的最优值。 1 3 机械结构分析与优化设计概述 1 3 1 结构有限元分析的概念 结构有限元分析是采用计算机对结构在载荷作用下的应力、变形等进行计算的现代 方法。其基本作法是根据需要在结构上选取尽可能多的节点，将结构分为有限个通过节 点相连的单元，以这种网格结构来模拟原结构。结构有限元分析的基本计算是求解大型 2 y - - 西大掌硕士学位论文垃圾转运站压缩机私l 辛勺与结构分析及优1 匕设计 线性刚度方程组，其已知向量是所承受载荷，未知向量是节点位移，系数矩阵是结构刚 度矩阵，它是由各个单元的刚度矩阵按照几何位置组集起来的大型对称方阵( 2 0 】。单元刚 阵则是根据材料性质、单元性质，单元尺寸、截面特性、单元内各点位移与单元节点位 移的关系及物理弹性关系、静力平衡关系、几何协调关系求得的。结构静力分析是利用 高效计算方法求解上述结构刚度方程得到各节点位移后，再利用单元刚阵、位移关系求 解各单元应力【2 1 j 。 1 3 2 结构优化的概念 机械结构优化设计是2 0 世纪6 0 年代迅速发展起来的一种设计方法，它建立在近代 数学最优化方法和计算机辅助设计的基础上。是解决复杂设计问题的有效工具和计算机 辅助设计应用中的一个重要方面 1 4 , 1 5 , 1 6 。 现代结构优化将现代力学数值分析与数学规划理论相结合，以现代计算机为工具， 自动地、系统地进行结构优化设计。具体地说，结构优化设计就是寻求满足各种约束条 件下的最佳材料配置、结构尺寸及结构形式 1 2 , 2 7 】。 传统的设计工作是手工完成的，是一个迭代过程，首先凭经验提出一个设计方案， 接着进行各种有关的分析，分析的结果用来修改设计，然后再进行分析，直到得到满意 结果为止。这种设计过程周期长，费用高。对设计的修改是凭经验，缺乏理性，得到的 设计也只是可行的设计，其效果与设计人员的水平有非常直接关系。 1 3 3 结构优化的方法 结构优化方法种类繁多。从计算机处理角度上看，优化可分为数值优化和非数值优 化。从专业角度看，优化又可分为非结构性能优化和结构性能优化。从处理问题的类型 上看可分为总体优化和参数优化。总体优化又分为总体布局优化、方案优化、参数优化、 协调优化；参数优化又可分为动态优化、静态优化；静态优化又可分为结构尺寸优化、 有限维参数优化、结构形状优化和曲线曲面优化。在不同类型的优化方法中求解最优方 案的优化方法各有不同，但根据其数学理论基础来讲主要分为两大类：数学规划法和准 则法是要求有较好的数学模型；自然模拟法不要求有较好的数学模型【1 8 2 8 t 4 3 1 。 数学规划法在1 9 6 0 年【5 5 】首次被用于求解多种载荷情况下弹性结构，开创了现代优 化的先河。以后这种新的设计方法得到迅速的发展，数学规划中许多方法都曾经被用于 3 广西大掌硕士掌位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 求解结构优化问题。其本质是根据当前设计方案的信息，确定寻优方向和步长，逼近最 优点。其特点是具有较强的数学基础，都有严格的收敛性证明、通用性好，可以用来处 理各种不同性质的优化问题。但是由于结构优化是具有高次非线性隐函数问题，伴随着 约束条件及设计变量的增加、求解规模的加大，采用该方法所需的结构分析次数多，优 化的效率很低，进而影响了数学规划法在结构优化设计的应用。通常使用的数学规划法 包括：序列二次规划法、序列线形规划法、乘子法、罚函数法等【4 3 1 。 准则法的优点是：方法相对简便、优化中结构重分析次数少、物理意义明确、收敛 速度快等，该方法在早期的结构优化设计为人们所常用，是通过工程经验、力学概念来 建立相应的最优化准则。d e m s 等将准则法用在形状优化d p 3 5 , 3 6 ，准则规定其应力、应 变能密度沿边界均匀分布。该方法通常用于减小应力集中的形状优化设计中。按目前的 结构拓扑优化的方法，其力学模型一般都具有庞大的设计变量数，所以用的较多的优化 算法也是准则法。但早期的准则法本身也存在问题：其通用性受到建立准则时引入条件 的限制，其认为临界约束得集合是已知的，所以每一次迭代都要估计临界约束，其选择 的合理性直接影响到求解精度与迭代效率；早期的准则法缺少严密的理论依据，其收敛 性没有严密的数学证明，因此得到的解可能不是真正意义上的最优解 3 7 , 3 8 j 。 陈树勋教授1 9 8 1 年提出导重准则法 i , 4 3 】，该准则法弥：e l , t 虚功准则法的上述缺陷。 避免了位移的虚功表达，导重准则法考虑了随设计变量变化的惯性载荷导数，严格按照 库恩塔克条件推导而得，并根据它建立了优化迭代公式，通过约束线性化得到了求解 拉格朗日乘子的二次规划问题，并采用线性互补问题的拉姆克算法求解刚，这种求法自 动的区分了临界与非临界的约束。导重准则表述为：“最优结构应按照各组构件的导重 正比分配各组构件的重量”，导重被定义为优化目标随各组构件设计变量增加而改善的 敏度与设计变量的乘积，由于避免了位移的虚功表达，除可以进行构件尺寸优化外还可 进行外形优化，其约束及优化目标包括多种结构动静力性态函数。导重准则法具备准则 法和数学规划法的优点，理论性及通用性都很强，计算效率高。 1 4 本文工作 本论文研究内容来源于与广西玉柴专用汽车厂合作的科研项目。在陈树勋教授指导 下，对y c n 0 6 5 g 型垃圾转运站垃圾压缩机机构与结构进行分析和优化设计。包括对该 垃圾压缩机的运动机构进行能耗分析和优化设计，以及结构有限元分析和优化设计，在 4 广西大学硕士掌位论文垃圾转运站压缩机幸，匈与结构分析及优1 七设计 保证该垃圾压缩机功能的前提下，寻求该垃圾压缩机液压油缸与运动部件的最优化设计 方案，以尽可能降低运动机构系统的能耗。并在优化后的机构设计方案下对结构系统进 行参数化建模、有限元分析和结构优化设计，寻求该垃圾压缩机的结构优化设计方案， 尽可能降低该垃圾压缩机结构的总重量。 1 4 i 机构能耗分析与优化设计 机构优化的前提是对机构性能进行正确的评估分析。为此我们详细分析了 y c n 0 6 5 g 垃圾转运站垃圾压缩机运动机构总耗能的组成，给出了减少垃圾压缩机总能 耗的途径；详细分析了y c n 0 6 5 g 垃圾转运站压缩机中破碎、挤压与压缩机构中液压油 缸对推板作用力位置、方向及构件布置对机构能耗与构件受力变形的影响，给出了减少 这类油缸推板机构能耗和构件受力变形的途径和有关计算公式与计算数据。 在垃圾转运站压缩机运动机构耗能分析基础上，给出了可以实现垃圾压缩机基本功 能并不同程度地减少垃圾压缩机总能耗的三种运动机构设计方案。考虑到垃圾压缩机连 续作业等因素，与厂方商定采用与原y c n 0 6 5 g 垃圾转运站压缩机最为接近的第三方案。 通过对油缸推板机构能耗和构件受力变形的有关分析计算，表明该机构设计方案的破碎 机构与压缩机构转轴的变形与摩擦能耗可以分别减少6 7 9 7 与4 2 5 。 1 4 2 结构有限元分析与优化设计 为减轻结构重量，机构优化后的垃圾压缩机结构主力骨架采用桁架形式。利用有 限元分析软件a n s y s ，对机构优化后的垃圾压缩机结构设计方案进行了有限元分析建 模，该模型构具有4 6 ，3 7 5 个节点，1 3 7 ，8 3 1 个单元，采用该模型对3 种进程工况载 荷作用下的变形与应力分布进行了分析计算，求得了压缩机结构各工况应力较大的危险 点。 在结构有限元分析基础上，采用陈树勋教授创立的结构优化导重法，对机构优化后 的压缩机结构进行了以提高结构强度、减少结构重量为目的的构件尺寸自动优化设计。 优化后结构设计方案的有限元分析结果表明，结构最大应力从原y c n 0 6 5 g 垃圾转运站 压缩机结构的4 2 3m p a 下降到2 1 5m p a ，大幅度提高了结构强度，结构自重从原 y c n 0 6 5 g 垃圾转运站压缩机结构3 6 1 9 吨下降到2 1 4 吨，减轻重量1 4 7 9 公斤，减重 4 1 。圆满的完成了厂方提出的优化设计指标。 5 垃扭转琏站压缩机机相与培柏分析及优化 z 计 第二章垃圾压缩机机构能耗分析与优化设计 2 1 y c n 0 6 5 g 型垃圾压缩机的概述 2 1 1 垃圾压缩机结构与机构 垃圾压缩机向垃圾车内压缩垃圾时，每次作业循环包括压缩回程、挤压回程、破 碎回羊呈、破碎进程、挤压进程、压缩进程六个过程。三组液压油缸作为动力，在个行程 推动各板动作。y c n 0 6 5 g 型垃圾压缩机主要由以下部分组成： l 机架结构：由包括提升塔在内的主体骨架组成。 2 运动机构：主要由破碎板与破碎油缸，挤压板与挤压油缸，压缩板与压缩油缸 三个运动机构组成。 图2 1 为y c n 0 6 5 g 型垃圾压缩机的结构与机构图。 图2 - ly c n 0 6 5 g 型垃圾压缩机的实撕图 f i g2 - it h e “r u c t u f ed i a g r a mo f t h e y c n 0 6 5 gr e f u s e c o m p r e 弱o r 厂家提供垃圾压缩机结构材料选用的是1 6 号锰钏，其材料特性：弹性模量20 6 e 5 广西大掌硕士学位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优1 匕设计 m p a ，泊松比0 3 ，密度7 8e 一6k g m m 3 ，摩擦系数0 1 ，许用应力2 2 0m p a 。 2 1 2 各进程油缸动力载荷的计算 经分析得知，破碎油缸仅在破碎作业阶段主动做功，挤压油缸仅在提升作业主动做 功，压缩油缸仅在压缩作业主动做功。在各个作业阶段，只有一对主动油缸做功。其余 的油缸有数值，但不做功，其提供的油压为被动油压，只为平衡整体结构，在加载时可 以不予考虑。 由于垃圾压缩机各次作业循环垃圾内容及容量不同，导致各次作业循环进程油压不 同，为使结构经得起最严峻作业工况，按各油缸额定油压压强与实测油压压强中最大者 计算油缸对结构的作用力，根据该油压数据可得到各组油缸两端作用于各板和支架的油 缸动力，如表2 1 所示。 表2 1 油缸压力的测试和计算结果 t a b l e2 1t a b l eo fh y d r a u l i cc y l i n d e r p r e s s u r et e s t i n ga n dd r i v i n gf o r c e 2 2 垃圾压缩机运动机构的耗能分析 垃圾压缩机运动机构优化的主要目的是减少运动机构消耗的能量，根据本型号压 缩机的运动特点，我们得到垃圾压缩机压缩装满二车厢垃圾机构消耗的能量即机构作 的总功p d 可表达为： p o = p 口+ p r 十p g + p v + p s + p m + p d ( 2 1 ) 其中： 凡将松散垃圾压缩为压缩垃圾作的功 尸，将垃圾装入车厢做的功 凡将垃圾从车厢外提升到车厢内作的功 r 使垃圾获得运动速度作的功 只使结构变形耗费的功 7 广西大学硕士掌位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 巳一克服摩擦耗费的功 n 油路损耗的功 对机构性能进行正确的评估分析，并找到降低匕，名，尸v ，p r ，只，尸肘的途径， n ，是本文机构优化的关键。 2 3 减少垃圾压缩机机构耗能的途径 垃圾压缩机机构优化的原理是尽可能地减少机构作的总功巴，即尽可能地减少机 构作的各项功：尸口， 岛，p v ，b ，只， p 卅，n 。通过分析我们得到以下设计措 施。 1 如何减少将松散垃圾压缩为压缩垃圾作的功巴 由于垃圾压缩机的核心任务是压缩和装载，所以垃圾压缩机机构必须作压缩垃圾的 功尸口，垃圾压缩机机构优化只能尽可能减少户口，不能使p 口等于零。减少凡的途径是： ( 1 ) 不要将垃圾压缩后放开再压缩，否则就会浪费了部分压缩功户口。 ( 2 ) 压缩垃圾力的方向即与垃圾接触的压缩构件的运动方向应与垃圾需要压缩的 方向始终保持一致，否则就会增大摩擦，浪费能量。 2 如何减少将垃圾装入车厢作的功b 由于垃圾压缩机的核心任务是压缩和装载，所以垃圾压缩机机构必须作将垃圾装入 车厢的功尸，压缩机机构优化只能尽可能减少只，不能使b 等于零。减少b 的途径 是： ( 1 ) 不要将垃圾装入后掉出来，否则就会浪费了部分装载功b 。 ( 2 ) 装入垃圾力的方向即与垃圾接触的装入构件的运动方向应与装入垃圾方向始 终保持一致，否则就会增大摩擦，浪费能量。 3 如何减少将垃圾从车厢外提升到车厢内作的功乓 由于垃圾压缩机的核心任务只是压缩和装载，提升垃圾不是必须的，可尽可能将其 减少为零。减少乓的途径是：降低车厢入料口相对于地平线的高度或升高待装垃圾的 高度，当车厢入料1 3 与待装垃圾处于同一高度时，提升到垃圾的功名即为零。 4 如何减少使垃圾获得运动速度作的功 由于垃圾压缩机的核心任务只是压缩和装载，为压缩装入垃圾，必须使不动的垃 圾获得运动速度，故只能尽可能减少p v ，不能使其等于零。减少r 的途径是：在压缩 装载过程中垃圾应保持连续运动，停止会使原有的动能浪费掉，曲线运动也会使r 增 r 广西大掌硕士学位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 加，应该尽量保持垃圾的直线运动。 5 如何减少使结构变形耗费的功只 应尽可能减少结构变形。因为结构变形既浪费了能量又容易使构件磨损破坏。减少 n 的途径是： ( 1 ) 使构件运动的动力的方向应尽可能与构件运动的阻力( 包括惯性力) 方向始终 保持一致，以尽可能减小动力与阻力的合力，否则二者合力会造成结构变形并增大摩擦， 浪费能量( 图2 2 ) 。 o 动力。 阻力 动 合力 图2 2 垃圾压缩机推板受力 f i g 2 - 2t h ef o r c eo f t h eg a r b a g ec o m p r e s s o rp u s hp i a t e ( 2 ) 如果阻力是分布的，动力也应尽可能分布开，否则会造成结构变形。 6 如何减少克服摩擦耗费的功厶 减少垃圾压缩机机构消耗的能量，应尽可能减少摩擦耗费的功，减少p m 的途径是： ( 1 ) 垃圾自重引起的摩擦力难以克服，但可通过缩短垃圾运动路程来减少克服垃圾 自重摩擦耗费的功。 ( 2 ) 垃圾运动的动力应始终不会加大垃圾与相对运动构件的正压力，垃圾运动的轨 迹应尽可能保持直线，否则使垃圾运动的动力就会增大垃圾与相对运动件间的摩擦，浪 费能量( 图2 3 ) 。 动 动力j _ _ - _ _ _ 啼 图2 - 3 垃圾运行线路比较 f i g 2 - 3t h ec o m p a r i s o nr u n n i n gl i n e so fg a r b a g e 7 如何减少油路损耗的功n 9 垃衄转j 霉站压缩帆机相与结构分析a 优化设计 应尽可能减少油路损耗的功n 。减少几的途径是 ( 1 ) 缩短油路长度。 ( 2 ) 减少油路弯曲。 ( 3 ) 改变软油管为硬油管。 2 4 几种垃圾压缩机机构的设计方案 根据上述减少垃圾压缩机运动机构耗能的途径，本文提出如下三种新型垃圾压缩机 运动机构设计方案。 241 新型垃圾压缩机设计方案 水平直推式垃圾压缩机( 图2 _ 4 ) ，压缩机直接将垃圾平推压入转运车厢，等转运车 厢垃圾饱和时便结束工作。 困2 4 方案一的运动仿真模型 f i g2 - 4 t h e t i l o v e m e n s i m u l a t i o n m o d e lo f p r o g r a m l 方案一的操作程序如下： l 汽车倒退下坡入位，侧柱油缸提住垃圾车厢； 2 汽牟上坡开出，侧柱油缸放下垃圾车厢： 3 挂钩动作连接车厢与填料机，托起车厢门，拉丌盖板，艘r 破碎顶板 1 0 广西大学硕士掌位论文 垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 4 从两侧入料口装入垃圾( 8 9 成满) ，推合盖板，推进推板破碎垃圾； 5 提起破碎项板，推进垃圾，退回推板与盖板，； 6 循环4 5 ，直至满厢； 7 推下车厢门，脱开挂钩； 8 侧柱油缸提起车厢，汽车倒退下坡入位； 9 侧柱油缸放下车厢到汽车上，汽车上坡开出。 方案一的节能效果分析如下： 1 不反复压缩，尤其当无破碎顶板时，减少了将松散垃圾压缩为压缩垃圾作的功 p a ： 2 连续直线运动，不外漏，减少了将垃圾装入车厢作的功尸，； 3 同一水平，消除了将垃圾从车厢外提升到车厢内作的功b ； 4 连续直线运动，减少了使垃圾获得运动速度作的功r ； 5 推力方向与垃圾运动方向始终保持一致，减少了使结构变形耗费的功只； 6 缩短了垃圾运动的路程，直线运动轨迹，减少克服摩擦耗费的功尸m ； 7 采用地平之下的固体直线油路，减少了油路损耗的功乃。 方案一的优点：节能4 0 5 0 以上；结构构件减少，结构大应力减小，结构强 度提高( 与水泥地基连成一体) ；结构省料4 0 以上；制造容易，封闭环保。 2 4 2 新型垃圾压缩机设计方案二 保持原垃圾压缩机结构外形，每个工作循环同样拥有破碎回程、挤压回程、压缩 回程、破碎进程、挤压进程、压缩进程6 步，同时又保持第一设计方案的直线运动形式， 图2 5 为其运动仿真模型。 垃圾转运站压缩机机 0 与结构分析a 优化设计 图2 - 5 方案二的运动仿真模型 f i 9 2 - 5 n l e m o v e m e n is i m u l a t i o n m o d e lo f p r o g r a m2 方案二的操作程序如f ： l 装入垃圾，并将破碎盒翻盖板压下； 2 破碎盒在破碎油缸带动下将垃圾直线推入挤压盒； 3 挤压盒在挤压油缸带动下将垃圾难直提升至垃圾入料口高度 4 压缩板在压缩油缸带动下将垃圾直线推入待装车厢： 5 压缩板退回： 6 挤压盒退回； 7 破碎盒退吲： 8 破碎盒翻盖扳提起，循环l - 8 ，将垃圾车箱装满结束。 方案二的节能效果分析如f ： 1 减少了将挫 生垃圾压缩为压缩垃圾作的功p 。： 2 将* 圾裟入车厢作的功p ，与原垃圾压缩机；i _ f 同： 垃坦转逞站压蚺帆机相与培帕分析a 优化设计 3 将垃圾从车厢外提升到车厢内作的功p ，与原垃圾压缩机相同： 4 使垃圾获得运动速度作的功r 与原垃圾压缩机相同： 5 推力方向与垃圾运动方向始终保持一致，减少了使结构变形耗费的功只； 6 直线运动轨迹，减少克服摩擦耗费的功 ； 7 油路损耗的功n 与原垃圾压缩机相同。 方案二的优点：保持了第一方案的直线运动，有效地利用了能量，可采用小雎力油 缸，节能效果3 0 ：减少了结构变形应力，省去原产品转轴；保持了原产品框架零 部件平直容易生产。 2 43 新型垃圾压缩机设计方案三 在尽可能的保留原垃圾压缩机各推板的运动形式的基础上，最大限度的降低垃圾压 缩机的能耗，第三方案运动仿真模型如图2 - 6 。 图2 + 6 方案三的运动仿真模型 f i g2 - 6t h e1 n o m e n is i m 1 a l i o nm o d e lo f p r o g r a m3 广西大掌硕士学位论文垃圾转j 运站压缩机机构与结构分析及优化设 d - 方案三的操作程序： 1 装入垃圾，破碎油缸推动破碎板破碎垃圾； 2 挤压油缸推动挤压板将垃圾提升到车厢入了口高度： 3 压缩油缸推动压缩板将垃圾推入待装车厢； 4 破碎板回程； 5 挤压板回程； 6 压缩板回程； 7 循环1 - 6 ，将垃圾车箱装满结束。 由于方案三与原y c n 0 6 5 g 垃圾转运站压缩机最为接近，将松散垃圾压缩为压缩垃 圾作的功p 口，将垃圾装入车厢作的功尸，将垃圾从车厢外提升到车厢内作的功b ， 使垃圾获得运动速度作的功r ，油路损耗的功乃均与原机相同，无法减少。只能通过 改变油缸力方向，减少了使结构变形耗费的功只和机构克服摩擦耗费的功厶。 2 5 垃圾压缩机机构设计方案的优选 机构节能优化的前提是对机构节能性能进行正确的评估分析。为此我们详细的分析 了该型垃圾压缩机运动机构总耗能的组成，给出了减少垃圾压缩机总能耗的途径，并根 据分析结果得到了上述三个设计方案。综合上述三个垃圾压缩机机构设计方案，厂方认 为：第一方案坡道占地面积大，车厢与垃圾压缩机地平线下容易积水，且已有类似专利 正在实施；第二方案不能连续作业，降低了垃圾装载速度，且破碎盒翻盖板须增加油缸 数量；第三设计方案与原垃圾压缩机最为接近，容易实现。所以厂方的意愿是采用第三 方案，本文将对方案三进行节能与减重性能分析。 2 6 新型垃圾压缩机机构设计方案能耗分析 2 6 1 油缸推板机构的作功效率与优化途径 根据公司意见y c n 0 6 5 g 垃圾转运站压缩机机构优化采用与原机最为接近的方案 三。由于方案三机构与原压缩机机构最为接近，各机构构件运动轨迹和垃圾载荷相同， 使两者的垃圾运动的耗能，压缩、提升、装入垃圾的耗能以及油路耗能相同，故只能 通过改变前者运动机构的的油缸推板布置，优化油缸动力的方向与作用点，以减少使 1 4 广西大学硕士学位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 结构变形耗费的功只和机构运动克服摩擦耗费的功厶。 油缸推板机构的能耗包括推垃圾的有用功、结构的变形能、摩擦力耗能，油缸推板 机构的工作效率等于油缸的总能耗除机构推垃圾的有用功： 机构效率= 有用功总能耗 垃圾压缩机推垃圾所需的功是必须。所以只能通过改变油缸力的作用点与方向减少 结构的变形能、摩擦耗能来减少油缸的总能耗，实现提高油缸推板机构效率，达到节能 的目的。 2 6 2 油缸推板机构油缸力方向与作用点对机构能耗的影响 设转轴式油缸推板机构的垃圾阻力沿推板呈线性分布，则垃圾阻力的合力p z 位于 推板长度的2 3 处，如图2 7 。油缸力尸和垃圾阻力心的合力尽作用在油缸转轴上， 与油缸转轴支反力平衡。油缸推板机构转轴结构的受力变形能仄转轴摩擦能耗厂与 油缸力尸和垃圾阻力吃的合力咫成正比，如图2 7 所示，所以油缸推板机构的优化途 径是减少油缸力p 和垃圾阻力吃的合力如。 ， i 舻。 晟篱 - l 卜一， 卜一 嗣p 口a c o c 忍 图2 7 垃圾阻力示意图 f i g 2 7t h ed i a g r a mo fg a r b a g er e s i s t a n c e 各种推板机构合力的比较： 1 无转轴滑道平推式油缸推板机构的合力为零，故其转轴结构应力与摩擦力最小、 机构效率最高，如图2 8 。 2 反推式转轴油缸推板机构的合力最大，故其结构应力与摩擦力最大，机构效率最 低，如图2 9 。 1 5 广西大掌硕士掌位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 i 一 1 p 忍 | - 、 1 p 1 p s - p b - 1 。 p s 1 - 、 p 已 - 破碎板在破碎进程中间位置受力如图2 1 2 所示： 1 6 广西大掌硕士掌位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及比化设计 图2 1 2 破碎板受力 f i g 2 - 1 2t h ef o r c eo f b r o k e np l a t e 其中e 为破碎油缸推力，丑为垃圾阻力的合力，作用于推板的距转轴( 2 n 3 ) 处， r ，为转轴对推板的支反力，互与# 的合力和r 。构成一对平衡力，转轴处力矩平衡方程 为： e 厶一异2 厶：0 ( 2 - 2 ) e 三2 一# 3 厶= 毕纠 由原机设计图( 图2 - 1 3 ) 测得，l l = 6 1 5 ，l 2 = 3 5 6 9 ， 求得： 互= 1 1 5 墨 e 与e 的夹角口= 8 9 4 3 。，求得： 墨= 厄孓再面丽= 1 5 3 # 1 7 ( 2 3 ) 广西大掌硕士掌位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优1 匕设计 图2 1 3 原机构破碎、压缩进程中间位置 f i 驴13t h em i d d l el o c a t i o no ft h eo r i g i n a lm e c h a n i s mb r o k e na n dc o m p r e s s i o np r o c e s s 2 7 2 原机构压缩进程的油缸力与垃圾阻力合力 压缩进程中间位置压缩板受力如图2 1 4 所示： 图2 1 4 压缩板受力 f i g 2 - 14t h ef o r c eo fc o m p r e s s i o np l a t e 1 8 广西大掌硕士学位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优化设计 其中最为破碎油缸力，最为垃圾阻力合力，作用于推板的距转轴( 2 1 3 ) 处，r z 为转轴对推板的支反力，五与b 的合力和r ：构成一对平衡力。转轴处力矩平衡方程为： 岛一只知= o ( 2 - 4 ) 由原机设计图( 图2 1 3 ) 知厶= 6 1 5 ，l 2 = 4 5 5 7 1 ， 解得： e = 0 9b e 与罡的夹角= 1 1 6 。，求得： 是= 压了可万面i 湎= 1 0 1 最 ( 2 5 ) 2 8 优化后新机构油缸力与垃圾阻力的合力分析计算 2 8 1 新机构破碎进程的油缸力与垃圾阻力合力 破碎进程中间位置破碎板受力如左图2 1 5 所示： f l 图2 1 5 破碎板受力示意图 f i g 2 15t h ef o r c eo fb r o k e np l a t e 其中e 为破碎油缸力，e 为垃圾阻力的合力，r 。为转轴对推板的支反力，作用于 推板的距转轴( 2 _ a 3 ) 处，曩与e 的合力与r 构成一对平衡力。转轴处力矩平衡 方程： 1 9 垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优1 艺设计 e 三：一鼻；厶= o 由新机设计图( 图2 1 6 ) 知l l = 6 1 5 ，l 2 = 4 4 1 ， 求得： ，互= o 9 3 只 e 与鼻的夹角口= 1 5 0 8 。，求得： 墨= 瓶f 函丽= o 4 9 眉 图2 1 6 新机构破碎、挤压进程中间位置 f i g 2 - 16t h em i d d l el o c a t i o no ft h en e wm e c h a n i s m b r o k e na n dc o m p r e s s i o np r o c e s s 2 8 2 新机构压缩进程的油缸力与垃圾阻力合力 压缩进程中问位置压缩板受力如图2 1 7 所示： 2 0 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 广西大学硕士掌位论文 垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优1 匕设计 图2 - 1 7 压缩板受力示意图 f i g 2 1 7t h ef o r c eo f c o m p r e s s i o np l a t e 其中疋为压缩进程油缸力，罡为垃圾阻力合力，作用于推板的距转轴( 2 厶3 ) 处， r 2 为转轴对推板的支反力，五与忍的合力和r ：构成一对平衡力。转轴处力矩平衡方程 为： ， e 三2 一只詈厶= o ( 2 4 ) 由新机设计图( 图2 - 1 6 ) 知l l = 6 1 5 ，l 2 = 3 5 4 ， 求得： e = 1 1 6 最 e 与最的夹角= 1 5 0 。，求得： 恐= 扛可万五i 两= o 5 8 ( 2 - 9 ) 2 9 小结 1 根据公司意见机构优化采用与原机构最为接近的方案三。由于方案三机构与原压 缩机机构最为接近，为达到机构优化节能的目的，只有通过改变油缸推板机构的布置， 优化油缸动力的方向与作用点，以减少使结构变形耗费的能量只和机构运动克服摩擦 耗费的能量厶。 2 通过反复计算比较，从破碎机构与压缩机构转轴变形与运动摩擦能耗考虑，机构 优化的最终方案与原压缩机相比，可以分别节能6 8 和4 2 5 7 。表2 2 为新、旧机 构对照表。 2 1 广西大学硕士掌位论文垃圾转运站压缩机机构与结构分析及优1 撇科 表2 - 2 新、旧机构对比表 t a b l e2 - 2t a b l eo ft h en e wa n dt h eo l dm e c h a n i s mc o m p a r i s o n 3 机构优化带来的效益除了可以减少破碎机构与压缩机构转轴变形与运动摩擦能 耗外，由于降低了破碎机构与压缩机构的转轴应力，而这些转轴应力正是决定结构重量 的大应力所在，故本机构优化方案还可使压缩机结构重量大幅下降。 2 2 垃扭转墟砧压缩机机构与结相分析a 优化设计 第三章原垃圾压缩机的结构有限元分析 31 原垃圾压缩机结构有限元分析建模 利用a n s y s 软件进行有限元分析【”, 2 5 j 。由于该垃圾压缩机结构主要由钢板制成， 故圭要采用板单元进行有限元分析建模，模型如图3 - 1 所示，对该结构模型进行节点单 元网格划分后的离散结构如图3 - 2 所示，该模型具有6 1 ，7 2 0 个节点，1 8 7 ，6 0 0 个单元， 其中大部分板而结构为s h e l l 6 3 板单元，轴销等相对较厚的结构部分采用s o l i d4 5 单元。为了取得真实的分析结果，所有轴销接触面之间和垃圾同压缩机接触面之间全部 采用接触副，由于垃圾压缩机所有接触副都是面面接触，可选用a n s y s 的c o n t a l 7 4 与t a r g e l 7 0 接触副单元来处理【5 4 5 s l 。 图3 - 1y c n 0 6 5 g 型垃圾压缩机