基于SolidWorks对垃圾压缩机举升油缸动力学仿真分析

崔希海1， 杨磊2， 张云鹏2， 赵倩2

（1.山东科技大学，山东泰安271000；2.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590）

摘 要：以移动式垃圾压缩机为例，介绍了关于以SolidWorks为平台快速进行零部件的三维建模及其虚拟装配的新方法，并利用SolidWorks运动仿真插件Motion对举升油缸进行动力学仿真，着重阐述了对模型进行运动仿真的思路和技巧（仿真前的准备、驱动加载、载荷施加等），绘制了举升油缸受载荷变化曲线，对举升油缸工作性能的评估具有重要的指导意义。

关键词：垃圾压缩机；运动仿真；举升油缸；载荷；性能

0 引言

随着我国城市化进程的加快和人们生活水平的提高,城市生活垃圾的处理已成为城市环卫部门正面临的严峻问题[1]。在城市人口密集区合适的位置建设垃圾中转站，是一种有效的垃圾处理模式[2]，而垃圾压缩机则是垃圾中转站中最为关键设备。本文主要对移动式垃圾压缩机的举升翻转机构进行了研究，利用SolidWorks对举升翻转机构的零部件三维建模，再对各零部件进行虚拟装配，结合SolidWorks运动仿真插件Motion，模拟垃圾压缩机举升翻转机构的实际工况，输出其整个工作周期内举升油缸受载荷的变化点域，根据点域利用Excel绘制举升油缸载荷变化曲线[3]，以此为参考来指导后续的举升机构优化设计。

1 举升翻转机构的组成及其工作原理

举升翻转机构为左右对称机构[4]，取其结构的1/2进行研究，主要由上料斗总成、举升臂总成、拉杆总成以及举升油缸总成组成，举升底座焊接在压缩箱体上且铰接举升臂总成、举升液压缸。当上料斗总成盛满垃圾，举升油缸总成伸长驱动举升臂总成发生旋转,举升臂总成通过连杆总成带动上料斗总成,使上料斗总成绕与箱体总成的铰接点举升翻转,将上料斗总成内的垃圾倒入箱体总成内的压缩腔。当举升油缸总成伸长驱动的举升臂总成旋转至最大角度，上料斗也就到达最终位置；举升油缸总成收缩驱动举升臂总成，同时上料斗总成在自身重力作用下复位。在整个过程中，对举升油缸载荷变化的分析是本文分析的重点。举升翻转机构的结构如图1所示。

图1 举升翻转机构结构图

1.上料斗总成 2.拉杆总成 3.举升臂总成 4.举升油缸总成5.举升油缸底座总成 6.箱体总成

2 运动仿真模型的建立

2.1 受力分析

举升油缸的受载荷分析是举升翻转机构的主要研究内容，由于举升油缸两端铰链处受到一对大小相等、方向相反的力[5]，分别对铰链A和D取力矩平衡，求得油缸推力公式为[6]

式中：G为料斗及垃圾的总重量，kg；XG为料斗及垃圾的质心横坐标；l1、l2、l3分别为铰链A到BC的距离、铰链A到EF的距离、铰链D到BC的距离。举升翻转机构的运动简图如图2所示。

2.2 三维模型建立

垃圾压缩机的举升翻转机构结构复杂,零部件较多,在满足正常工作的前提下，按照垃圾压缩机实际工作的基本原理与总体结构尺寸，简化模型外形，使用SolidWorks创建举升翻转机构的各个零部件三维模型，并分别设置质量特性；根据各零部件的工作运动关系，添加配合进行几何样机的装配，建立装配体模型。在此基础上，进行动力学仿真模型的建立[7]。举升翻转机构的三维模型如图3所示。

图2 举升翻转机构运动简图

图3 举升翻转机构的三维模型

3 运动仿真分析

3.1 仿真分析前的准备

1）对装配体进行干涉检查[8]，验证固定和浮动的零部件是否正确；2）加载Motion插件，新建运动算例，添加引力，方向为Y轴负半轴，大小为默认值；3）运动算例类型选择【Motion分析】，设置运动属性为每秒帧数为50。

3.2 添加驱动马达

单击【马达】，在举升油缸的活塞杆的表面添加线性马达[9]，相对运动零部件选择举升油缸的缸筒，设置运动类型为【表达式】，根据设计要求选择举升液压油缸的驱动函数为STEP函数[10]。阶跃函数的形式为

式中：x为自变量，该式中x为时间变量；x1为油缸运动时间的开始值；h0为油缸运动时间的结束值；h1为油缸运动位移的初始值；为油缸运动位移的最终值。

图4 举升油缸驱动曲线

根据移动式垃圾压缩机的设计参数及要求[11]，当上料斗完成垃圾收集后举升上翻，在上翻至一定位置时开始将垃圾倒入压缩腔，并最终上翻到位，时间为22 s；然后举升油缸保压3 s,随后完成垃圾投放的上料斗下翻复位至地面，时间为20 s，所需液压油缸行程为486.5 mm。由此可得举升翻转机构的驱动函数：

举升翻转油缸一个工作周期的驱动函数曲线如图4所示。

3.3 施加外部载荷

根据移动式垃圾压缩机举升翻转机构的实际情况，将其外部载荷均简化单向力形式，并分别作用于上料斗的质心处[11]。举升翻转机构实际工作时，上料斗中垃圾的最大装载量为700 kg，垃圾从上料斗投放至箱体内的起止时间为0～25 s，上料斗垃圾载荷函数同样采用STEP函数。所以举升翻转机构的外部载荷函数及曲线分别为：

1）载荷函数：

2）载荷曲线（如图5所示）。

图5 上料斗载荷曲线

3.4 输出举升油缸的受力分析结果

通过Motion Manager工具栏[12]中的【结果和图解】，举升油缸受载荷随时间的变化图像如图6所示。

图6 举升油缸受载荷曲线

由图6可知，举升油缸在举升初始阶段初始，油缸受载荷出现小幅度波动，之后载荷平滑增长达到最大载荷，随后经过2次平顺起伏受载荷区域平缓稳定。整个举升过程油缸在13.75 s和30.75 s时刻受载荷为零，在时刻为6 s处受到最大载荷为Fmax=75 771 N，无骤增骤减冲击现象，受力平缓，未受到明显冲击载荷的作用。若油缸举升力大于最大载荷，即可顺利完成整个举升行程。

本举升翻转机构所使用的举升油缸的主要参数[13]，如表1所示。

根据液压系统设计要求，预设的工作压力P=18 MPa，计算举升油缸可提供的额定举升推力[14]：

表1 举升油缸的主要参数 mm

由计算可知，举升油缸的额定举升推力F额远大于油缸所受的最大载荷Fmax，说明举升油缸完全可以达到举升翻转机构的举升要求[15]，且油缸举升推力余量充足。

4 结 语

本文利用SolidWorks对举升翻转机构进行了三维建模、虚拟装配，配合仿真插件Motion完成了对举升油缸动力学仿真分析，输出举升油缸的受载荷随时间变化曲线图，以此为参考能够较为准确地对举升油缸的工作性能做出评估，也利于后续举升翻转机构的优化改进。

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（编辑 昊 天）

Dynamics Simulation Analysis of Garbage Compressor Lifting Oil Cylinder Based on SolidWorks

CUI Xihai1,YANG Lei2,ZHANG Yunpeng2,ZHAO Qian2
(1.ShandonguniversityofScience and Technology,Taian271000,China; 2.Machineryand Electronics EngineeringInstitute,ShandongUniversityofScience and Technology,Qingdao266590,China)

Abstract：Taking mobile garbage compressor as an example,this paper introduces a new method of 3D modeling and virtual assembly of components quickly with SolidWorks as a platform,and simulates the dynamic simulation of lifting cylinder with SolidWorks motion simulation plug.This paper focuses on the ideas and techniques of simulating the model(the preparation of the simulation,the loading of the load,the load application,etc.),and draws the load curve of the lifting cylinder to provide a reference for the evaluation of the working performance of the lifting cylinder.

Key words：garbage compressor;motion simulation;lifting cylinder;load;performance

中图分类号：TP 391.7;TH 122

文献标志码：A

文章编号：1002－2333（2017）07－0012－03

作者简介：崔希海（1957—），男，博士，教授，硕士研究生导师，主要从事机械设计制造、矿用设备开发、液压传动等方面的研究和教学工作。

收稿日期：2016-11-25