基于井下膠輪車車架的動態(tài)應(yīng)力研究

許宏宇 劉天生 王宏宇 竇雪

【摘要】井下工作環(huán)境有限的情況下對礦用防爆膠輪車車架強(qiáng)度的要求較高，首先建立礦用膠輪車的多體動力學(xué)模型，然后選取與井下較為相似的路面進(jìn)行仿真，得到不同激勵下的峰值。建立礦用膠輪車的有限元模型對膠輪車前車架與后車架進(jìn)行動態(tài)應(yīng)力分析，得到車架不同方位的受力情況，通過應(yīng)力分析可知，車架最大受力為320MP，滿足使用要求與車架強(qiáng)度極限，為車架的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】膠輪車;車架;動態(tài)應(yīng)力分析

1.引言

礦用防爆膠輪車是礦井中運輸物料以及裝備的常用設(shè)備，該設(shè)備具有轉(zhuǎn)向靈活，操作簡易，裝載能力較強(qiáng)的有點，使用范圍較廣泛 [1]。目前在膠輪車車架的設(shè)計過程中，多把動載荷系數(shù)與車架的靜態(tài)分析結(jié)果作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)[2]。車體在井下作業(yè)時承受的動應(yīng)力是隨時變化的，包括大小及方向，所以這種做法有很大缺陷。為了更好的分析車架質(zhì)量，筆者通過ADAMS軟件建立了多體動力學(xué)模型，針對典型的左右顛簸路況進(jìn)行動力學(xué)仿真，獲得隨機(jī)激勵下的峰值力。并用有限元法在ANSYS軟件中對車架進(jìn)行動態(tài)應(yīng)力分析，找到其應(yīng)力分布情況以及結(jié)構(gòu)受力較危險區(qū)域，對車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

2.膠輪車的建模及仿真

2.1 多體動力學(xué)模型的建立

首先根據(jù)膠輪車的設(shè)計尺寸采用Solidworks軟件建立膠輪車主車架的CAD模型，然后將其導(dǎo)入到ADAM中，并在ADAM中直接建立其他部件的模型并按照實際的裝配方式裝配起來。車體模型如圖1。路譜模型的建立：實驗選擇具有代表性的矩形坑路面。針對實際的作業(yè)情況建立路譜文件，主要參數(shù)如下：左輪經(jīng)過正弦路面，右輪經(jīng)過余弦路面，兩種路面間平路距離為35mm。兩種路面的波長均為1300mm，振幅為38mm，仿真時間為20s，步長2000mm，其有效時間約為12～20s。設(shè)定好各項參數(shù)后進(jìn)行仿真實驗。

圖1 礦用膠輪車模型

2.2 仿真結(jié)果分析

實驗結(jié)束后，提取各部件連接處的載荷曲線。圖2為主車架與駕駛操縱連接處的載荷曲線。表1為各部件與主車架連接處峰值時間以及峰值大小。從圖2可以看出，動態(tài)峰值與豎直方向上的峰值力大小十分接近，y方向上的峰值力為主力，x和z方向上的力對主車架的影響很小。所以，在對主車架動態(tài)應(yīng)力分析過程中可以用峰值力來代替y方向上的峰值力。

3.車架的動應(yīng)力分析

3.1 建立有限元模型

為了得到更好的網(wǎng)格劃分效果，在建立車架模型時可省去一些對實驗結(jié)果影響很小的部分倒角和微小結(jié)構(gòu)。在軟件Solidworks中建立好車架模型，然后將簡化的車架模型以Parasolid的格式導(dǎo)入到軟件Ansys中。劃分網(wǎng)格時，應(yīng)該同時確定計算精度和計算規(guī)模這兩方面因素。采用自由網(wǎng)格劃分，確保計算精度，通過分析前車架精度選為5級，后車架精度選為7級。然后坐標(biāo)系的選取，X軸為車體行駛的方向，Y軸為垂直于車架表面的方向，Z軸為與紙面互相垂直的方向[3]。

圖3 膠輪車車架動態(tài)分析云圖

3.2 動態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果

因為此次動態(tài)應(yīng)力分析屬于非線性分析，所以應(yīng)首先設(shè)置好其相關(guān)的參數(shù)，然后提交計算。其中載荷子步數(shù)為5，求解時間設(shè)為50s。求解完成后車架的應(yīng)力分布圖如圖3所示。其中車架材料選為16Mn合金鋼，失效形式多為塑性屈服，在進(jìn)行應(yīng)力分析時主要采用第四強(qiáng)度理論來進(jìn)行分析，因為其主要考慮了主應(yīng)力的影響而且對塑性屈服也有很好的描述[4，5]。

由動態(tài)應(yīng)力分析可知：

在通過矩形坑路譜時，前車架峰值力為320MP，后車架峰值力為170MP。雖然在實驗過程中，各部分的峰值力出現(xiàn)時間各不相同，但主車架上最大應(yīng)力為320MP，小于車架選用材料的許用應(yīng)力值420MP。而且在實驗中可以發(fā)現(xiàn)各部分最大應(yīng)力值出現(xiàn)的時間很短，約為0.2s。針對以上實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各部位的應(yīng)力要遠(yuǎn)小于車架材料的許用應(yīng)力值420MP，所以車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4.結(jié)論

筆者以某礦用防爆膠輪車作為研究對象，根據(jù)其井下巷道工作環(huán)境的特點，通過ADAMS軟件建立了車體的多體動力學(xué)模型并針對矩形坑路面進(jìn)行動態(tài)仿真實驗，獲得了各部件隨機(jī)激勵下的峰值力。在ANSYS軟件中建立有限元計算模型，用有限元法對主車架進(jìn)行了動態(tài)應(yīng)力分析。通過實驗分析可知，車架最大受力為320MP，滿足車架強(qiáng)度要求，該膠輪車結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，各部件受力情況均滿足強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)

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[2]曾發(fā)林，李德華，范嫦娥.某車架有限元建模及仿真研究[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：103-106

[3]陽清泉，谷正氣，米承繼.SF33900型礦用自卸車車架疲勞壽命分析[J].汽車工程，2012，34（11）：1015-1019.

[4]閆振華.礦用自卸車車架靜態(tài)及動態(tài)應(yīng)力數(shù)值模擬研究[P].長春：吉林大學(xué)，2007.

[5]魏占紅，林都.某礦用防爆膠輪車輕量化設(shè)計研究[J].礦山機(jī)械，2011，39（3）：21-25.

作者簡介：許宏宇（1988—），男，山西朔州人，中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院在讀研究生。