基于ANSYS 的垃圾压块机自卸箱铰链轴的分析*

王 鹏 王守城

（青岛科技大学机电工程学院 青岛 266061）

1 引言

随着人类社会的不断发展、进步，人民物质生活需求得到了极大的提高，因此导致产生的生活垃圾也日益增多，过多的垃圾如果不进行及时、有效并正确的处理，将直接影响到人们的生活与工作环境［1］。而无论最终人类对生活垃圾如何处理，都需要对垃圾进行收集与运输等中间过程。垃圾在传统收集过程中会占用大量土地资源，对周边的环境也会产生巨大的危害，为此，有人提出一种地埋式垃圾压块机的装置，可以先将垃圾在地下进行压缩，然后输送到地面再转运［2］。现有的对地埋式垃圾压块机的设计在对箱体进行举升时，会同时将部分压缩装置也同步举升，这就导致举升能量浪费，且垃圾处理效率低，因此设计一种地埋式垃圾压块机自卸箱体装置，有效提升举升效率，运输便携，成本低，节约能源，而铰链轴作为其中的关键零部件之一［3］，对自卸箱体起到连接与支撑的作用，对其进行结构设计并进行静力学分析验证其作业过程中所设计的结构的的可靠性非常重要。

2 地埋式垃圾压块机的自卸箱体机构

2.1 自卸箱体机构简介

地埋式垃圾压块机自卸箱体机构包括自卸箱、液压缸、支撑底板、支座以及铰链轴。自卸箱体机构随装置整体置于地下，当箱体内垃圾达到一定量时，举升机构将自卸箱体机构举升至地上，通过液压缸工作将自卸箱倾倒并使其内的垃圾块倒出至转移车上。其结构如图1所示。

图1 自卸箱体机构示意图

在这一机构的作业过程中，铰链轴将自卸箱与支撑地板通过支座连接在一起，起着十分重要的作用。由于箱体内所含垃圾块重量大，对于铰链轴的作用力很大，所以铰链轴要满足一定刚度、强度条件，确保其不会发生较大的变形甚至断裂［4］。

2.2 自卸箱体机构的设计

2.2.1 自卸箱的设计及参数

为保证自卸箱具有一定的强度、刚度以及稳定性，箱体由槽钢焊接的框架以及钢板一同焊接而成，材料为Q235钢［5］。

表1 自卸箱体机构的主要技术参数

通过查找资料可知q235 钢的密度ρ=7.8g/cm3，自卸箱所用钢板的体积为

由此可得自卸箱的质量为

自卸箱底部一侧有一对支座，通过铰链轴与支撑底板上的支座相连接。

2.2.2 铰链轴的设计及参数

铰链轴的材料设计为经过调质热处理的45 号钢［6］，相应的屈 服强度σS=355MPa ，抗剪切强度取系数0.7，取安全系数S=2.5［7］。可以计算出弯曲。

许用应力

许用切应力

其受力情况为

当自卸箱水平时，铰链轴不受力，此时只有支撑底板受到垂直作用力；当液压缸开始工作，从而使得自卸箱倾倒工程中，其受力情况随着举升角的变化而变化。铰链轴逐渐承受径向作用力，并随着举升角的增大而逐渐变大；当举升角达到30°时，自卸箱内的部分垃圾块会被卸载，铰链轴承受的力还会增加，但是增加速度逐渐减缓；当垃圾块卸载一定量时，铰链轴承受的力达到最大，之后，铰链轴承受的力随举升角的增大而减小。图2 为自卸箱举升角度α为30°时对其进行的受力分析。

图2 自卸箱举升角度α为30°时的受力分析

根据力矩平衡方程可得：

其中：

式中：

PQ=404mm；BQ=846mm；BR=733mm，由此可得液压缸对自卸箱的举升力：

举升力F 分解到X，Y 轴的分力分别为Fx，Fy；对自卸箱受到的由铰链轴作用给它的支承反力N 进行X，Y 轴方向的分解可得两个分力分别为Nx，Ny［8］，列出力的平衡方程可得

根据勾股定理可得铰链轴对自卸箱的支撑反力N，即

考虑到自卸箱体的其它外载以及自卸过程中力的变化情况，为了使设计的铰链轴更加安全，计算时可以使其所受的力大一些，故其所受的力N取8.5×104N。

因为有两个铰链轴，所以每一个铰链轴上的力

所以选取直径d为46mm。

3 铰链轴的静力学分析

3.1 导入铰链轴模型并划分网格

打开ANSYS Workbench15.0，双击Static Structural，右侧空白区出现Static Structural块A，双击A2栏engineering Date，输入45#钢的材料属性，点击project，返回工程流程图的Workbench界面，右键点击A3 栏导入在Solid works 中创建的几何模型，双击A4栏进入Mechanical中［10］。

划分网格。鼠标右键单击Mesh，左击Generate Mesh 初步划分网格［11］，为了得到比较精确的分析，设定网格尺寸为4mm，采用三角区域单元划分。

3.2 施加约束与载荷

根据铰链轴实际受力情况，在铰链轴与支座的连接部分添加圆柱面约束，只保留绕轴旋转的自由度，在铰链中间部分施加不同的载荷。

3.3 静力学分析结果

添加求解选项并求解。左键单击导航栏中Solution（A6），添加总变形结果和等效应力结果，单击Solve得到总变形图图3和等效应力图图4［12～13］。

图3 铰链轴总变形图

图4 铰链轴等效应力图

从图中可以看出，铰链轴径向几乎不产生位移，其所受到的最大应力值显示为38.609MPa，远远小于45#钢的许用应力［σ］=142MPa。还可以观察到，无论是位移还是应力分布，铰链轴两端支撑轴部分变化相对明显，所以在铰链轴的设计时应该对该部位进行高强度处理，保证其可靠性［14］。

4 结语

根据地埋式垃圾压块机自卸箱体的结构设计，对自卸箱及其铰链轴进行了设计，使其满足最大弯曲应力的强度条件和最大切应力的强度条件，并利用ANSYS Workbench对铰链轴进行静力学分析［15］，确保设计的铰链轴满足要求，保证了它的的安全可靠。同时也为地埋式垃圾压块机今后的进一步优化设计提供了相关资料。