15t地下運(yùn)礦車車架設(shè)計(jì)及有限元分析

肖長+彭亞雄

摘要：以15t運(yùn)礦車車架為研究對象，應(yīng)用三維軟件Pro/E建立前后車架實(shí)體模型，在確定載荷的簡化和施加方法后，利用有限元分析研究前后車架的應(yīng)力和變形情況，確定了前后車架的最大應(yīng)力值。

關(guān)鍵詞：地下運(yùn)礦車；車架；有限元分析

15t地下運(yùn)礦車的行走系統(tǒng)由車架、驅(qū)動(dòng)橋、車胎與輪轂等組成。由于運(yùn)礦車在松軟或碎石場地等惡劣環(huán)境下行駛及重負(fù)荷下作業(yè)，因此要求行走系統(tǒng)各部件要有很高的強(qiáng)度與剛度。車架作為安裝基體將動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、電控、液壓、潤滑系統(tǒng)等組裝成一個(gè)有機(jī)整體，同時(shí)還承受運(yùn)礦車各總成的質(zhì)量及各種靜、動(dòng)載荷。因此車架的強(qiáng)度和剛度在車輛總體設(shè)計(jì)中顯得至關(guān)重要，深入了解車架的強(qiáng)度和剛度是車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)的基礎(chǔ)。對前后車架進(jìn)行有限元分析的結(jié)果可作為車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。

一、15t運(yùn)礦車車架設(shè)計(jì)

一）車架設(shè)計(jì)要求

15t運(yùn)礦車車架是由一定厚度、焊接性能好的高強(qiáng)度低合金鋼板（Q345）焊接而成。要求嚴(yán)格按工藝進(jìn)行焊接，保證焊縫表面平整，且有足夠高度，用X射線探傷檢查不允許有氣孔或夾渣，盡量由壓機(jī)成型彎曲鋼板，要退火或振動(dòng)消除應(yīng)力，加工時(shí)要保證加工件精度及位置精度等。

車架的前、后車架通過中間鉸接架相連，可圍繞中央銷軸在水平面內(nèi)作±40°轉(zhuǎn)動(dòng)，從而減少地下運(yùn)礦車的轉(zhuǎn)彎半徑；鉸接式車架，軸距尺寸加大，對整機(jī)的穩(wěn)定性有所提高；上下兩鉸接點(diǎn)距離加大，以改善受力狀態(tài)；同時(shí)能在垂直平面內(nèi)擺轉(zhuǎn)±10°，確保行駛過程中能全輪著地，增強(qiáng)穩(wěn)定性，加大牽引力，適應(yīng)惡劣路況。

二）車架三維模型的建立

1、前車架三維模型

前車架有前橋部件與后車架連接的鉸接和轉(zhuǎn)向油缸鉸接，其上安裝有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、雙變器（液力變矩器和動(dòng)力換擋變速箱）、液壓油箱、凈化水箱及駕駛室（如圖2）。

2、后車架三維模型

后車架為框式箱形結(jié)構(gòu)，車斗安放在其上，有與前車架連接的鉸接和轉(zhuǎn)向油缸鉸接，中間安置有舉升油缸的鉸接（如圖3）。

二、有限元分析

結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。同時(shí)，結(jié)構(gòu)靜力分析還可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷以及那些可以近似等價(jià)為靜力作用的隨時(shí)間變化的載荷對結(jié)構(gòu)的影響。在本文分析中，外載荷為穩(wěn)態(tài)載荷。

一）有限元分析基本步驟

1、利用Pro/E建立有限元模型，借助有限元分析模塊進(jìn)行有限元分析；2、施加載荷和邊界條件進(jìn)行求解；3、結(jié)果評(píng)價(jià)和分析。

二）前車架有限元分析

前車架主要載荷考慮：車架自重按均布載荷在其支架上進(jìn)行平均分配，發(fā)動(dòng)機(jī)（康明斯）與雙變器重量按其懸置的位置進(jìn)行分配，并按照集中載荷方式處理。油箱等按照其位置進(jìn)行分配，并按照集中載荷方式處理。并按照集中載荷方式處理。借助Pro/E中進(jìn)行有限元分析得知：最大應(yīng)力為σmax=133MPa；前車架的材料為Q345，σs=325MPa；分析結(jié)果滿足要求。

（三）后車架有限元分析

經(jīng)分析，滿載的運(yùn)礦車從水平位置開始傾翻時(shí)機(jī)架受力最大，借助Pro/E對該工況狀況進(jìn)行有限元分析。

1、網(wǎng)格劃分

通過網(wǎng)格劃分后，共計(jì)單元數(shù)目12125個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)3998個(gè)。

2、設(shè)置約束、加載載荷并計(jì)算結(jié)果

在前后車架的鉸接位置及與驅(qū)動(dòng)橋的連接處、車斗與車架的鉸接位置、油缸與車架的鉸接位置處加上載荷，滿載時(shí)，物料重量及車斗自重共計(jì)19.724t。

油缸支承處和車斗與車架的鉸接處力的計(jì)算：根據(jù)鉸接點(diǎn)之間的位置關(guān)系及重心位置畫出受力示意圖（圖4），把液壓油缸等同于二力桿來確定F2的方向；在Pro/E模型中可確定物料和車斗的重心點(diǎn)位置，故能確定總重力G的方向。依據(jù)三力平衡匯交定理可確定F1方向，而后計(jì)算得出油缸支承處的力F1=33.4t，車斗與車架的鉸接處力F2=30.69t。

加載完成后運(yùn)行計(jì)算結(jié)果，結(jié)果分析：

油缸支承和車斗鉸支座選用20Mn2材料，強(qiáng)度σs≥133MPa，其余材料為Q345，σs≥325MPa；最大應(yīng)力與最大應(yīng)變均在油缸支承處，其中最大應(yīng)力為480Mpa，最大應(yīng)變?yōu)?.52e-5mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。其中因?yàn)檐浖W(wǎng)格劃分問題，得到的應(yīng)力和應(yīng)變值均偏大，應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖6、7所示。

三、結(jié)束語

通過對前后車架的有限元分析，確定了前后車架處于作業(yè)過程中的最大應(yīng)力位置以及后車架的變形量，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的前后車架均滿足強(qiáng)度和剛度要求。

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