一种垃圾转运集装箱用密封条结构设计方法

1.本发明涉及密封技术领域，具体涉及一种垃圾转运集装箱用密封条结构设计方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的加快，城市生活垃圾的产生量迅速增加，垃圾中转站作为连接垃圾产生源头和末端处置系统的结合点，其作用越来越明显。在垃圾转运压缩过程中，为了提高运转效率并减少运输途中对周围环境的影响，多选择集装箱作为转运载体。生活垃圾在集装箱转运过程中也会产生一定量的污染气体和污水。由于污水存在一定的腐蚀和其他性质会对集装箱密封条进行腐蚀，会导致集装箱的漏水现象，也会对环境和人的身体健康造成一定的影响。
3.现有密封条其截面结构如图5所示，其截面包括环状的上唇和呈梯形的下层部分，下层部分的下部开设有矩形槽，矩形槽的四角为直角；下层部分的上部开设有u型槽，u型槽的两底角为直角，且u型槽的开口两端与环状的上层部分相连；所述u型槽的底部与矩形槽的顶部之间为中间唇，矩形槽的底部与密封条的底边之间为下唇。密封条的总宽度为39.98mm，总高度为55.5mm，密封条的接触长度为26.5mm,唇边厚度为5.88mm。目前，集装箱密封条成本过高，使用一段时间后存在漏水现象，密封条腐蚀老化严重。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种垃圾转运集装箱用密封条结构设计方法，解决现有技术垃圾箱转运过程中密封条不严实的问题。
5.本发明采用的技术方案为：一种垃圾转运集装箱用密封条结构优化设计方法，包括以下几个步骤：
6.步骤一、对原垃圾箱处密封条进行取样调查，分析原有密封条的工作环境；
7.步骤二、对原有密封条尺寸进行测量；
8.步骤三、对垃圾箱体、箱门以及密封条分别进行建模；
9.步骤四、利用模型对箱门进行受力分析，计算获得箱门密封合紧力，也即箱门与现有密封条之间的总接触力，并根据密封条的长度计算单位长度的密封条应提供的最小接触力；
10.步骤五、将建立的模型导入ansys软件中，设置垃圾箱体、箱门及密封条的材料属性，计算分析密封条其截面各部分在不同工作状态下的变形；
11.步骤六、根据步骤五的计算分析结果对密封条的截面结构进行优化；
12.步骤七、对优化后的密封条进行受力和变形分析，验证优化方案。
13.按上述方案，在步骤五中，所述垃圾箱体和箱门选择结构钢材料，密封条选择tpee材料，并设置mooney
‑
rivlin参数c
10
和c
01
。
14.按上述方案，在步骤五中，设置密封条与垃圾箱体和箱门的密封形式：将密封条与
垃圾箱体、密封条与箱门的接触均设为摩擦接触。
15.按上述方案，在步骤五中，选择面单元和线单元，对模型进行网格划分。
16.按上述方案，参数c
10
和c
01
的计算方法为：
17.用应变能密度函数w来表征超弹性材料的特性，对其求应变分量的一阶导数，用公式(1)表示:
[0018][0019]
式中，s
ij
—第二类piola
‑
koshy hoff应力张量；w—应变能函数；e—lagrange应变张量；
[0020]
应变能函数w表示为：
[0021]
w＝(i1，i2，i3)
ꢀꢀ
(2)，
[0022]
式中，i为应变不变分量；
[0023][0024]
式中，c
ij
为常数，且满足c
00
＝0；
[0025]
应变不变量i1、i2、i3为：
[0026][0027]
式中，j为体积比，λi为主拉伸率，与应变ε
i
的关系为：
[0028]
λ
i
＝1+ε
i
ꢀꢀ
(5)；
[0029]
tpee材料具有不可压缩性，当其在受到外载荷时体积不变，受力前后的体积比为1:1，即j＝1；公式(4)可以简化为：
[0030][0031]
应变能函数w表示为：
[0032]
w＝c
10
(i1‑
3)+c
01
(i2‑
3)
ꢀꢀ
(7)；
[0033]
式中，i1、i2为应变张量的主不变量，c
10
、c
01
为mooney
‑
rivlin材料常数；
[0034]
根据公式(5)和公式(6)，可推导出tpee材料的主应力σi和主伸长率λi之间的关系为：
[0035][0036]
对tpee材料试片进行单轴拉伸实验，，另外两个方向的主应力均为0，即：
[0037]
σ2＝σ3＝0
ꢀꢀ
(9)，
[0038]
tpee材料具有不可压缩性，
[0039][0040]
则公式(8)可变形为：
[0041][0042]
再根据公式(7)，可得：
[0043][0044]
由公式(11)和(12)可得：
[0045][0046]
取：
[0047][0048]
则式(13)可以简化为
[0049]
y＝c
10
+c
01
x
ꢀꢀ
(15)，
[0050]
根据单轴拉伸实验，可得出tpee材料试片变形和所受载荷的变化关系，由该变化关系计算出一系列拉伸率λ1和与其对应的应力σ1的值，再根据拉伸率和对应的应力值计算出式(13)中的x和y，将所有x和y通过matlab软件拟合成一条直线，则该直线的截距即为c
10
，该直线斜率即为c
01
。
[0051]
本发明的有益效果为：本发明在现有结构基础上，通过计算分析密封条应提供的最小接触力，重新选择材料，并根据仿真结果对密封条的变形进行分析，针对性地优化设计密封条的结构，延长了密封条的使用寿命；这种设计方法针对性强，改善了垃圾箱转运过程中出现渗滤液的状况，同时降低了密封条的成本。
附图说明
[0052]
图1为本实施例中箱体建模图。
[0053]
图2为本实施例中箱门建模图。
[0054]
图3为本实施例中密封条建模图。
[0055]
图4为本实施例中原密封条二维模拟图。
[0056]
图5为本实施例中原密封条尺寸图。
[0057]
图6为本实施例中密封条接触设置图。
[0058]
图7为本实施例中密封条接触应力图。
[0059]
图8为本实施例中密封条接触强度分析图。
[0060]
图9为本实施例中密封条等效内应力分析图。
[0061]
图10为本实施例中密封条压缩变形分析图。
[0062]
图11方案一密封条结构图。
[0063]
图12方案二密封条结构条。
[0064]
图13方案三密封条结构图。
[0065]
图14为本实施例中优化后的密封条尺寸图。
[0066]
图15为本实施例中优化后的密封条等效内应力图。
[0067]
图16为优化后的密封条压缩变形图。
具体实施方式
[0068]
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
[0069]
一种垃圾转运集装箱用密封条结构优化设计方法，包括以下几个步骤：
[0070]
步骤一、对原垃圾箱处密封条进行取样调查，分析原有密封条的工作环境；
[0071]
步骤二、对原有密封条尺寸进行测量；
[0072]
步骤三、采用catia软件对垃圾箱体、箱门以及密封条分别进行建模；
[0073]
步骤四、利用模型对箱门进行受力分析，计算获得箱门密封合紧力，也即箱门与现有密封条之间的总接触力，并根据密封条的长度计算单位长度的密封条应提供的最小接触力；
[0074]
步骤五、采用workbench软件，将建立的模型转化为stp格式导入ansys软件中(但为了后期网格划分以及求解的简单，将箱门和垃圾箱体简化为二维图(密封条安装在垃圾箱体的密封槽内)，如图4所示(图4中，附图标记分别为：1、上唇；2、中间唇；3、下唇；4、u型槽；5、矩形槽；6、箱门；7、垃圾箱体)，设置垃圾箱体、箱门及密封条的材料属性，计算分析密封条其截面各部分在不同工作状态下的变形；
[0075]
步骤六、根据步骤五的计算分析结果对密封条的截面结构进行优化。
[0076]
步骤七、对优化后的密封条进行受力和变形分析，验证优化方案。
[0077]
以下针对某城市垃圾中转站的垃圾车箱体密封条的设计进行为例，对本发明所述方法进行说明。
[0078]
步骤一、对原垃圾箱处密封条进行取样调查，分析原有密封条的工作环境。
[0079]
前往该垃圾转运中转站实地考察，了解垃圾车转运过程中垃圾箱的运动，获取垃圾箱出现漏水现象的部位，以及密封条所处环境；
[0080]
步骤二、对原有密封条及其安装的垃圾箱体和箱门进行尺寸测量和标注，以便后续对密封条的受力情况进行分析，以及对整个垃圾箱的受力状况进行分析；
[0081]
本实施例中，如图5所示(图5附图标记分别为：1、上唇；2、中间唇；3、下唇；4、u型槽；5、矩形槽)，现有密封条其截面包括环状的上唇和呈梯形的下层部分，下层部分的下部开设有矩形槽，矩形槽的四角为直角；下层部分的上部开设有u型槽，u型槽的两底角为直角，且u型槽的开口两端与环状的上层部分相连；所述u型槽的底部与矩形槽的顶部之间为中间唇，矩形槽的底部与密封条的底边之间为下唇。该密封条的总宽度为39.98mm，总高度为55.5mm，密封条的接触长度为26.5mm；上唇厚度为5mm，矩形槽的尺寸为27mm
×
12mm(长
×
宽)，中间唇的厚度为8mm，下唇厚度为7.2mm。
[0082]
步骤三、采用catia软件对垃圾箱体、箱门以及密封条分别进行建模，如图1～3所示。
[0083]
在该步骤中，对如图1所示截面形式的密封条进行建模。
[0084]
步骤四、利用模型对箱门进行受力分析，计算获得箱门密封合紧力，也即箱门与现有密封条之间的总接触力，并根据密封条的长度计算单位长度的密封条应提供的最小接触力。
[0085]
本实施例中，设垃圾转运集装箱腔内高度为h，转运垃圾重量为w，转运垃圾装载高度为h，湿垃圾比重为0.8，垃圾集装箱为水平式横关门。根据装载情况，箱门所受的平均压强为p＝(0+h)/2
×
0.8
×
9.8
×
1000，带入数据得p＝6664pa，箱门受力为f＝p
×
h
×
2，带入数据得f＝22.7kn，考虑到垃圾转运集装箱在转运过程中存在倾斜、惯性力等作用，将比重和高度进行放大，取1.5的安全系数，箱门受力为f1＝f
×
1.5,带入数据得f1＝34kn。根据《cj/t 496
‑
2016垃圾专用集装箱》中7.6.3多式联运垃圾专用集装箱的密封性要求，此时箱门受力为f2＝(h1+h2)/2
×
9.8
×
1000
×2×
2,带入数据得f2＝38.3kn，因此，取较大值38.3kn为箱门密封合紧力标准。
[0086]
垃圾转运集装箱箱门和箱体之间依靠密封条进行密封，因此，密封条和箱体之间总的接触力应该满足前述计算的38.3kn才能保证其密封性。
[0087]
密封条尺寸如图3所示，总长度为1.29
×
2+0.178
×
2+2＝4.936m单位长度的密封条应提供的最小接触力为38.3/4.936＝7759n。
[0088]
垃圾转运集装箱箱门为铰链式闭合，因此从靠近铰链处到远离铰链处存在一定的杠杆效应，即密封条所受压力是沿程逐渐变小。所以在实际使用过程中，最远离铰链处的密封条和箱体之间的接触力即使略小于7759n也能较好的实现密封，而且过大的接触力也会导致铰链和门口机构的寿命下降。
[0089]
步骤五、采用workbench软件，将建立的模型转化为stp格式导入ansys软件中(但为了后期网格划分以及求解的简单，将箱门和垃圾箱体简化为二维图，如图4所示)，设置垃圾箱体、箱门及密封条的材料属性，密封条选用tpee材料并设置mooney
‑
rivlin参数c
10
和c
01
，仿真分析密封条其截面各部分在不同工作状态下的变形。
[0090]
本发明中，将垃圾箱体和箱门选择结构钢材料，密封条选择tpee材料，tpee材料主要应用mooney
‑
rivlin二参数结构来进行条件设置，其中c
10
＝
‑
1.09,c
01
＝5.04，其求解过程如下。
[0091]
由于超弹性材料具有多重非线性的特点，在实际工作中会和其他类型的材料发生复杂的相互作用，使整个分析模型产生多重非线性，使计算和求解非常困难。在对tpee材料制品的应力应变分析中，经常用到mooney
‑
rivlin模型来描述超弹性材料的特性，下面对该模型进行简述及公式推导。本发明中用应变能密度函数w来表征超弹性材料的特性，对其求应变分量的一阶导数，用公式(1)表示:
[0092][0093]
式中：s
ij
—第二类piola
‑
koshy hoff应力张量；w—应变能函数；e—lagrange应变张量。
[0094]
应变能函数w表示为：
[0095]
w＝(i1，i2，i3)
ꢀꢀ
(2)
[0096]
式中，i为应变不变分量。
[0097][0098]
式中，c
ij
为常数，且满足c
00
＝0。
[0099]
应变不变量i1、i2、i3为：
[0100][0101]
式中，j为体积比，λi为主拉伸率，与应变ε
i
的关系为：
[0102]
λ
i
＝1+ε
i
ꢀꢀ
(5)
[0103]
tpee材料具有不可压缩性，当其在受到外载荷时体积不变，受力前后的体积比为1:1，即j＝1。公式(4)可以简化为：
[0104][0105]
应变能函数w表示为：
[0106]
w＝c
10
(i1‑
3)+c
01
(i2‑
3)
ꢀꢀ
(7)
[0107]
式中，i1、i2为应变张量的主不变量，c
10
、c
01
为mooney
‑
rivlin材料常数。式(7)就是在工程中广泛应用的mooney
‑
rivlin材料模型，它可以用来描述绝大多数超弹性材料的力学特性。
[0108]
根据公式(5)和公式(6)，可推导出tpee材料的主应力σi和主伸长率λi之间的关系为：
[0109][0110]
对tpee材料试片进行单轴拉伸实验，由于是单向拉伸，则另外两个方向的主应力均为0，即：
[0111]
σ2＝σ3＝0
ꢀꢀ
(9)
[0112]
tpee材料具有不可压缩性，因此
[0113][0114]
则公式(8)可变形为：
[0115][0116]
再根据公式(7)，可得：
[0117][0118]
由公式(11)和(12)可得：
[0119][0120]
取：
[0121][0122]
则式(13)可以简化为
[0123]
y＝c
10
+c
01
x
ꢀꢀ
(15)
[0124]
根据单轴拉伸实验，可得出tpee材料试片变形和所受载荷的变化关系，由该变化关系计算出一系列拉伸率λ1和与其对应的应力σ1的值，再根据拉伸率和对应的应力值计算出式(13)中的x和y，将所有x和y通过matlab软件拟合成一条直线，则该直线的截距即为c
10
，该直线斜率即为c
01
，由此可对密封条的材料属性进行设置。
[0125]
设置密封条与垃圾箱体和箱门的密封形式：将密封条与垃圾箱体、密封条与箱门的接触均设为摩擦接触，选择边定义contact以及target，为软件内设参数，密封条与箱体接触的边为分析的接触条件，其中将箱体设置为target，密封条设置为contact，通过选择接触边进行设置，如图6所示。对个模型进行网格划分，并针对密封条进行受力分析。
[0126]
本实施例中，网格划分采用线面单元和线单元结合的形式，其中在设置网格划分时，选择面单元时采用5mm的尺寸，线单元时采用2mm的尺寸。设置计算步骤为三步，固定边为密封条的下边，且在密封条的上端施加位移约束为6mm，以及压力约束为30000pa。
[0127]
对密封条进行密封性仿真分析，加载载荷为密封条上表面水的压强和箱体的位移约束。从图7可以看到，在5mm的压缩量(门缝间隙10.5mm)时，单位长度密封条的接触应力为8217.5n，能够满足7759n的最小接触力；而图8中可知密封条的平均接触压强较大，为0.31mpa，密封条的接触长度仅为26.5mm，接触面积较小，如果有异物杂带或受力变形等情况，容易出现密封不严导致漏液。
[0128]
由图9可知，密封条内部应力较大，最大应力出现在上部空间变形处，为5.6mpa。较高的应力容易引起密封条的机械老化，出现永久变形或是局部撕裂，减少密封条寿命，影响密封效果。图10为密封条压缩变形情况，在靠近箱门密封槽(密封条安装于密封槽内)底部的过盈应力过大，而接近密封槽出口位置的过盈应力相对较小，压缩后密封槽出口位置存在接触不够，容易夹带杂物。
[0129]
因此，基于对原有密封条的使用分析，考虑的优化准则为：保证单位长度的密封条应提供的最小接触力达标的情况下，增大密封条的接触长度、减少密封条的内部应力、适当调整过盈应力大小和分布。
[0130]
步骤六、根据步骤五的计算分析结果，根据步骤五的计算分析结果，在保证密封条提供最小接触力的前提下，对密封条的截面结构进行优化：对密封条的高度、上下宽度、唇边宽度、唇边高度、内空形状及倒角等进行了参数优化。
[0131]
本实施例中，优化后的结构如图11～13所示(图13中各附图标记分别为：1、上唇；2、中间唇；3、下唇；4、u型槽；5、矩形槽)。
[0132]
方案一、增加密封条的宽度，减小上唇厚度，增大中间唇厚度，并将各槽及槽口的直角设计为圆角。本实施例中，具体为，将密封条的宽度增加为44.11mm,且将内圆孔改为带圆角的矩形，将上唇厚减薄为4.68mm，中间唇加厚为8mm，如图11。
[0133]
方案二、增加密封条的宽度和高度，增大上唇和下唇的厚度，减小矩形槽的尺寸并将直角设计为圆角。本实施例中，具体为将宽度增加到44.11mm,高度增加到56.5mm,下唇厚加厚为7.5mm,上唇厚加厚为8mm，且下孔改为31
×
12mm带圆角的矩形，如图12。
[0134]
方案三、增加密封条的高度和宽度，增加下唇厚度，减小矩形槽的尺寸并叫矩形槽的四角设计为圆角。本实施例中，具体为，密封条的高度增加为59mm，宽度增加为44.11mm，下唇厚增加为9.5mm,矩形槽由原来的长27mm，宽12mm，设计为长19.11mm，宽为12mm带圆角，如图13。
[0135]
计算分析比较上述三种方案，方案三效果最佳。
[0136]
步骤七、对优化后的密封条进行受力和变形分析。
[0137]
密封条使用过程中受到化学和物理老化，会逐步丧失回弹性并变硬，导致弹性模量增加。因此，针对此情况，将密封条的弹性模量增加一倍(相比基准方案增加14％)，以此来模拟分析优化方案密封条老化后的压缩受力情况。最终形成现阶段优化方案如图13所示。
[0138]
基于上述优化条件对密封条进行优化，小幅降低最大和平均应力的情况下大幅提升接触长度。本实施例中，优化后的应力图如图15所示，最大应力为3.53mpa，图16为优化后密封条的变形情况，且在相同压缩量，满足最小接触力的情况下，以相对小的接触应力下获得了较长的接触长度，约为31.4mm。在少5％的接触力下减少了19％的接触长度。
[0139]
总结以上可知两者相比较，新结构密封条的接触力增加105.8n，接触长度增加0.5mm，压缩量减少0.93mm，最大内应力减少2.15mpa，平均内应力减少0.21mpa。这种结构的橡胶条能够很好的解决垃圾车转运过程中出现漏水的现象。
[0140]
表1为密封条优化设计前后各参数对比表。
[0141]
表1
[0142]
参数原结构新结构对比接触力/n8271.58323.31.3％接触长度/mm26.5271.9％压缩量/mm5.004.07
‑
18.6％最大内应力mpa5.683.53
‑
37.8％平均内应力mpa0.500.29
‑
42％
[0143]
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。