基于ANSYS垃圾车拉臂机构的三种受力工况分析

蒋素清

（江苏财经职业技术学院 机电工程系，江苏 淮安 223003）

1 拉臂式垃圾车结构简介

拉臂式垃圾车厢是在汽车底盘上装有拉臂装置的专用型车辆，车厢与汽车可随意结合或分离，可作为货箱的中转和散装货物的运输与自卸。拉臂式垃圾车由底盘与拉臂专用装置组成，其总体布置如图1所示。

图1.拉臂车CAD模型

拉臂装置是拉臂式垃圾车的关键部件，拉臂机构的好坏直接影响着拉臂车整车的性能，因此，拉臂机构是拉臂车设计的最重要部分。根据拉臂机构在工作过程中的受力情况，在整车受力方面，比较车箱、车架和拉臂机构的受力情况，发现拉臂机构结构复杂最容易在工作过程中发生强度方面问题，因此拉臂机构进行有限元分析。

1.拉臂机构有限元模型的建立

拉臂机构主要由一些经过折弯的钢板焊接或铆接在一起，模型比较复杂，而且尺寸变化比较大，所以本文在Pro／E中生成三维实体模型，再导入ANSYS中划分网格生成有限元模型。实验证明轴阶梯处倒角和圆角及螺纹孔对分析结果影响不太，但是ANSYS软件分析时却耗费大量时间，为减少计算量、缩短计算时间，忽略轴阶梯处倒角和倒角等。图2是简化后的ANSYS的模型。

图2.导入ANSYS拉臂机构模型

图3.网格模型

2 拉臂机构划分网格

拉臂车三维实体模型要选择体单元，本文选择SOLID 186和SOLID187；因为拉臂机构主要是焊接或铆接而成，各种料特性如：泊松比、杨氏模量、密度等参数基本一致，因此设置的材料特性：杨氏模量=2.0e+11Pa、泊松比=0.3、密度=7850kg/m3，采用统一的网格划分方式，网格模型如图3所示。

主要分析拉臂车三种工作状态：装箱、卸箱和卸货，在工作过程中，拉臂机构主要受到三个力的作用，它们是：车箱对拉臂钩手处的拉力、举升油缸对外耳轴的拉力和推力、为整个拉臂结构提供支撑的主旋转轴。因此主要对这三个部位施加约束和受力。

3 三种状态静力分析

3.1 装箱过程有限元分析

装箱过程主要是钩手、举升油缸对耳轴拉力和旋转轴支撑力，在起始阶段拉臂机构处于最大的受力状态，此时应力也最大。所以要对此时拉臂整体应力应变情况进行有限元分析。

（1）装箱过程约束条件和载荷的施加

对钩手处施加拉力，其它两处施加约束，由于它们都是围绕轴旋转的，故设定为圆柱约束，根据分析计算可知得出，当拉臂转角为55.2°时钩手受力达到极大值75kN，如图4所示。

图4.装厢过程中受力情况

图5.装箱过程受力分析

（2）有限元分析结果

通过分析软件的结果后处理功能，可以直观发现拉臂系统整体应力、应变分布情况。由图5可知，最大应力值566.3MPa，在钩手销轴处。从整体来看，较大应力集中在伸缩筒L形折弯处、钩手和钩手的联接部件。由图5可知折弯处应力最大能达到242.7MPa，这是因为在装箱过程中，钩手受到的拉力对此处弯矩比较大所致相同。

3.2 卸箱过程有限元分析

卸箱是装箱的逆过程，但拉臂机构受力状态不同。当座筒与车架成90°时，车箱在悬空状态，对拉臂机构L形折弯处弯矩最大，结构强度较低。因此对这种状态进行分析，并取垃圾车厢钩环对钩手的拉力为主动力，其他两处设置为约束。

（1）约束和载荷的施加

当座筒与车架成90°时，对拉臂结构进行有限元分析，约束条件设置与装箱时类似。将举升油缸与外耳轴接触区域设置为圆柱约束，主旋转轴与座筒接触区域设置为圆柱约束，在钩手内测曲面上施加载荷，计算力的大小为80kN，加载约束如图6所示。

图6.卸箱过程中受力情况

图7.卸箱过程受力分析

（2）有限元分析结果

从图7可以看出在拉臂L形折弯处产生应力集中，最大应力为849.28MPa。因为在钩手内部施加的力方向完全沿着Z方向，对折弯处产生最大的弯矩，而且此处伸缩筒和座筒连接处，尺寸变化比较大，伸缩筒的强度明显低于座筒。从图可以看出在拉臂L形折弯处产生应力集中，最大应力为849.28MPa。因为在钩手内部施加的力方向完全沿着Z方向，对折弯处产生最大的弯矩，而且此处伸缩筒和座筒连接处，尺寸变化比较大，伸缩筒的强度明显低于座筒。

3.3 卸货过程有限元分析

（1）约束和载荷的施加

由于刚开始举升的瞬间，举升油缸对外耳轴推力，拉臂机构对座筒与联动架的铰接处有很小的旋转，因此，对约束条件的设置和前两个工作状态一样。对外耳轴处和主旋轴处施加圆柱约束，拉力为69.68kN，加载如图8所示。

（2）有限元分析结果

如图9所示，最大应力为188.19MPa，作用在座筒与外耳轴接触的座转套上，因为钩手内侧的载荷对此处的力臂最大，其他部分应力较小。而且对L形折弯处增添筋板后，应力值不高。

图8.卸货过程中受力情况

图9.卸货过程受力分析

4 结论

本文主要工作的关键点如下：

1）利用Pro/E软件拉臂式垃圾车CAD模型，为企业以后数字化生产做好良好的铺垫；

2）对拉臂式垃圾车厢拉臂机构进行简化，导入到有限元软件ANSYS中，分析车三种工作状态：装箱、卸箱和卸货受力变形情况；

3）通过分析得到数据可知：拉臂机构在L型弯曲点最容易被破坏；与实际情况相吻合。

[1]蒋素清.XH715立式铣削加工中心立柱结构的拓扑优化[J].机床与液压,2009,(5):149-151.

[2]曹修生.翻转装箱式生活垃圾压缩中转设备研究[D].山东理工大学,2006.

[3]盛金良,杨云.后装压缩式垃圾车设计与分析研究[J].设计与制造,2010,(5):69-71.