液壓支架鏟板車(chē)車(chē)架強(qiáng)度分析

許聯(lián)航

(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

鏟板式搬運(yùn)車(chē)主要用來(lái)完成支架的鏟裝、溜槽的運(yùn)輸以及煤機(jī)的抬運(yùn)等作業(yè)。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有液壓支架搬運(yùn)車(chē)搬運(yùn)質(zhì)量較低、行駛性能及作業(yè)安全性較差，因此，研制具有良好工作性能、高可靠性的新型防爆特殊型鏟板式搬運(yùn)車(chē)具有重要意義[1，2]。

針對(duì)煤礦大采高工作面的不斷涌現(xiàn)，液壓支架和采煤機(jī)等綜采設(shè)備的重量不斷加大，設(shè)備搬運(yùn)任務(wù)的日趨緊張的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)礦區(qū)在井下使用的鏟板式支架搬運(yùn)車(chē)多依賴(lài)進(jìn)口，噸位涵蓋36t、55t、80t，且進(jìn)口鏟板車(chē)存在采購(gòu)成本高、周期長(zhǎng)、售后服務(wù)不及時(shí)等諸多問(wèn)題。目前8.8m大采高工作面中使用的液壓支架重量近100t，目前國(guó)內(nèi)外最大的電動(dòng)鏟板式支架搬運(yùn)車(chē)載重量只有80t，還沒(méi)有搬運(yùn)該型支架的蓄電池鏟板式搬運(yùn)車(chē)，已無(wú)法滿(mǎn)足100t級(jí)的液壓支架的安裝與回撤工作，因此研制了100t級(jí)的WXP100防爆特殊型鉛酸蓄電池鏟板式搬運(yùn)車(chē)。

由于搬運(yùn)車(chē)輛滿(mǎn)載時(shí)負(fù)載大，并且行駛工況復(fù)雜，在滿(mǎn)載啟動(dòng)、制動(dòng)及過(guò)坑等工況時(shí)，容易造成鏟板式搬運(yùn)車(chē)鏟叉、車(chē)架及各連接部位產(chǎn)生危險(xiǎn)截面，各部件的載荷狀況直接影響其操作性能及可靠性。有限元分析方法在車(chē)輛進(jìn)行靜強(qiáng)度分析中使用較為廣泛，任筱偉等[3]采用有限元法對(duì)貨運(yùn)軌道車(chē)輛車(chē)體強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。李石平[4]等對(duì)雙動(dòng)力鋼軌打磨車(chē)中的牽引車(chē)和作業(yè)車(chē)車(chē)體進(jìn)行了靜強(qiáng)度有限元分析，并評(píng)定是否滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。史艷民等[5，6]介紹了單軌車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的三維模型與有限元分析模型的建模過(guò)程及技巧，并采用有限元法對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度仿真分析并評(píng)定。以上均是對(duì)各種車(chē)型進(jìn)行了強(qiáng)度仿真分析，但是并沒(méi)有與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，本文將對(duì)航天重工WXP100防爆特殊型鉛酸蓄電池鏟板式搬運(yùn)車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)，以驗(yàn)證仿真分析方法的有效性。

1 車(chē)體結(jié)構(gòu)

WXP100防爆特殊型鉛酸蓄電池鏟板式搬運(yùn)車(chē)是機(jī)、電、液一體化產(chǎn)品，針對(duì)井下搬家倒面作業(yè)中應(yīng)用，主要用于短距離搬運(yùn)和安裝時(shí)擺放液壓支架。整車(chē)采用鉛酸蓄電池為動(dòng)力源，電機(jī)作為動(dòng)力輸出，4×4全輪驅(qū)動(dòng)，主要由鉸接式車(chē)架、電動(dòng)輪、駕駛室、鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、鉸接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 WXP100鏟板式搬運(yùn)車(chē)模型

1.1 車(chē)架

車(chē)架的主要功用是支撐連接車(chē)輛各零部件，絕大多數(shù)部件和總成都通過(guò)車(chē)架來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)位置的安裝固定，而礦區(qū)路面差，特別是綜采工作面的工作條件十分惡劣，車(chē)架不僅承受自身、電池、液壓支架及其他總成的重量，還要受到路面和車(chē)架內(nèi)部動(dòng)力總成的激勵(lì)，行駛及鏟運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種力和力矩直接作用在車(chē)架上，所以有必要對(duì)車(chē)架的強(qiáng)度進(jìn)行深入分析[7，8]。對(duì)于鏟板車(chē)的車(chē)架，其前車(chē)架是主要承力部件，滿(mǎn)載時(shí)前輪承載整車(chē)80%的重量。

車(chē)架采用鉸接式車(chē)架，主要由前車(chē)架、鉸接機(jī)構(gòu)、后車(chē)架、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，可實(shí)現(xiàn)前、后車(chē)架的在水平面的偏轉(zhuǎn)和繞中心軸的回轉(zhuǎn)。通過(guò)轉(zhuǎn)向油缸的伸縮來(lái)推動(dòng)前、后車(chē)架相對(duì)鉸接中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前后車(chē)架的偏轉(zhuǎn)以達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使前后車(chē)體可以繞車(chē)軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)，在過(guò)坎或過(guò)坑時(shí)，輪胎較好貼合地面，增強(qiáng)通過(guò)能力，從而降低了對(duì)車(chē)架抗扭能力的要求。

車(chē)架主體結(jié)構(gòu)為盒型框架結(jié)構(gòu)，選用不同規(guī)格、不同材質(zhì)的鋼板焊接組焊成型，應(yīng)力較大部位選用高強(qiáng)度HG70E鋼板，受力較小部位選用Q345鋼板。

前車(chē)架安裝兩前驅(qū)動(dòng)輪，前端安裝提升及翻轉(zhuǎn)油缸，左邊為嵌入式駕駛室，中間艙內(nèi)放置液壓及電控元件，后邊與中車(chē)架鉸接。前車(chē)架由上蓋板、底板、前側(cè)板、后側(cè)板，左側(cè)板、右側(cè)板等組成。中車(chē)架艙內(nèi)裝有轉(zhuǎn)向油缸、液壓泵電機(jī)，后端通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐與后車(chē)架連接。中車(chē)架由前、后、左、右側(cè)板等焊接而成。后車(chē)架安裝兩驅(qū)動(dòng)輪，后端通過(guò)油缸和擺臂連接電池鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)。后車(chē)架由前、后，內(nèi)、外側(cè)板及擋泥板等焊接而成。

1.2 鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)

鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)是整車(chē)功能的實(shí)現(xiàn)單元，包括提升曲柄、鏟叉連接座、鏟叉和鏟板。工作機(jī)構(gòu)通過(guò)提升曲柄實(shí)現(xiàn)載荷的提升，鏟叉可完成井下設(shè)備的叉裝等工作，加裝鏟板可完成液壓支架、采煤機(jī)等大噸位采掘設(shè)備的搬運(yùn)工作[9]。

鏟運(yùn)機(jī)構(gòu)分別由4個(gè)油缸控制鏟板的上下平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。鏟叉與鏟叉連接座用銷(xiāo)軸連接并配有定位銷(xiāo)來(lái)固定鏟叉工作時(shí)的位置。鏟叉連接座通過(guò)兩個(gè)提升曲柄及油缸與前車(chē)架相連。鏟叉連接座應(yīng)力較大部位選用高強(qiáng)度HG70E鋼板，受力較小部位選用Q345鋼板。鏟叉選用材料20CrNiMo鍛造成型。

1.3 蓄電池托架

蓄電池托架用于鏟運(yùn)電池箱，包括提升曲柄、電池叉架和電池叉，利用提升曲柄實(shí)現(xiàn)電池箱的提升。蓄電池托架分別由4個(gè)油缸控制電池叉架的上下平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。電池叉與電池叉架用銷(xiāo)軸連接。在叉架的兩底部和前端面設(shè)計(jì)有定位銷(xiāo)，用來(lái)固定電池箱的位置。電池叉架通過(guò)兩個(gè)提升曲柄及油缸與前車(chē)架相連。

1.4 鉸接機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

鉸接機(jī)構(gòu)連接前、中車(chē)架，機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)對(duì)保證整車(chē)轉(zhuǎn)向可靠性和行駛穩(wěn)定性具有重要意義，如圖2所示。

圖2 鉸接機(jī)構(gòu)

前后車(chē)體通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞車(chē)軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輛在過(guò)坎或過(guò)坑時(shí)，輪胎較好貼合地面，可提高車(chē)架抗扭能力，增強(qiáng)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性，提高抗側(cè)翻能力[10]?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2 有限元分析理論

2.1 有限元分析理論

有限元分析是使用有限元方法來(lái)分析靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。已取得了較為廣泛的應(yīng)用[11，12]，在實(shí)踐中，有限元分析法通常由以下步驟組成[13]：①預(yù)處理，用戶(hù)需建立物體待分析部分的模型，在此模型中，該部分的幾何形狀被分割成若干個(gè)離散的子區(qū)域或稱(chēng)為“單元”。各單元在一些稱(chēng)為"結(jié)點(diǎn)"的離散點(diǎn)上相互連接。這些結(jié)點(diǎn)中有的有固定的位移，而其余的有給定的載荷。準(zhǔn)備這樣的模型可能極其耗費(fèi)時(shí)間，所以商用程序之間的相互競(jìng)爭(zhēng)就在于：如何用最友好的圖形化界面的"預(yù)處理模塊"，來(lái)幫助用戶(hù)完成這項(xiàng)繁瑣乏味的工作。有些預(yù)處理模塊作為計(jì)算機(jī)化的畫(huà)圖和設(shè)計(jì)過(guò)程的組成部分，可在先前存在的CAD文件中覆蓋網(wǎng)格，因而可以方便地完成有限元分析。②分析：把預(yù)處理模塊準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入到有限元程序中，從而構(gòu)成并求解用線(xiàn)性或非線(xiàn)性代數(shù)方程表示的系統(tǒng)。

2.2 疲勞損傷理論

材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱(chēng)為疲勞壽命。疲勞損傷積累理論認(rèn)為，當(dāng)零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時(shí)，每一次載荷循環(huán)都對(duì)零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時(shí)，零件將發(fā)生疲勞破壞。較重要的疲勞損傷積累理論有線(xiàn)性和非線(xiàn)性疲勞損傷積累理論，線(xiàn)性疲勞損傷積累理論認(rèn)為，每一次循環(huán)載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷是相互獨(dú)立的。總損傷是每一次疲勞損傷的線(xiàn)性累加，它最具代表性的理論是帕姆格倫一邁因納定理，應(yīng)用最多的是線(xiàn)性疲勞損傷積累理論。

疲勞損傷發(fā)生在受交變應(yīng)力(或應(yīng)變)作用的零件和構(gòu)件，零件和構(gòu)件在低于材料屈服極限的交變應(yīng)力(或應(yīng)變)的反復(fù)作用下，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應(yīng)力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴(kuò)展，最終突然斷裂，這一失效過(guò)程稱(chēng)為疲勞破壞。

常規(guī)疲勞強(qiáng)度計(jì)算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)的，可分為無(wú)限壽命計(jì)算和有限壽命計(jì)算。零件的疲勞壽命與零件的應(yīng)力、應(yīng)變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應(yīng)力一壽命曲線(xiàn)(S-N曲線(xiàn))和應(yīng)變一壽命曲線(xiàn)(δ-N曲線(xiàn))表示。應(yīng)力一壽命曲線(xiàn)和應(yīng)變一壽命曲線(xiàn)，統(tǒng)稱(chēng)為S-N曲線(xiàn)。根據(jù)試驗(yàn)可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

σmN=C

(1)

式中，N應(yīng)力循環(huán)數(shù)，m；C為材料常數(shù)。

由式(1)可以得出，應(yīng)力與壽命成反比關(guān)系，應(yīng)力越小，材料壽命越長(zhǎng)。

2.3 可靠性評(píng)價(jià)

進(jìn)行靜強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，應(yīng)保證在各工況下各節(jié)點(diǎn)當(dāng)量應(yīng)力值(Von Mises應(yīng)力)不大于所用材料的最大許用應(yīng)力值。

Von Mise應(yīng)力：

許用應(yīng)力：

式中，δm為當(dāng)量應(yīng)力，MPa；δ1、δ2、δ3為主應(yīng)力，MPa；[δ]為許用應(yīng)力，MPa；δn為屈服強(qiáng)度，MPa；n為許用安全系數(shù)，靜載工況取1.3，動(dòng)載工況取1.1。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

采用Proe建立搬運(yùn)車(chē)三維模型，并對(duì)小孔、圓角、倒角等進(jìn)行補(bǔ)充簡(jiǎn)化，便于網(wǎng)格劃分。分別將搬運(yùn)車(chē)的前車(chē)架、中車(chē)架、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、前后三角筋、鏟叉與電池托架三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中[15]，選用靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行仿真研究。其中應(yīng)力較大部位選用高強(qiáng)度HG70E鋼板，受力較小部位選用Q345鋼板，鏟叉選用材料20CrNiMo鍛造成型。定義材料屬性后對(duì)各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，大部分采用六面體網(wǎng)格，得到滿(mǎn)足仿真要求的網(wǎng)格模型，如圖4—7所示，平均網(wǎng)格質(zhì)量在0.75以上。

圖4 前車(chē)架有限元網(wǎng)格模型

圖5 中車(chē)架有限元網(wǎng)格模型

圖6 鏟叉有限元網(wǎng)格模型

圖7 電池托架有限元網(wǎng)格模型

3.2 計(jì)算工況

進(jìn)行7種工況計(jì)算：空載靜止、滿(mǎn)載靜止、空載啟動(dòng)、滿(mǎn)載剎車(chē)、空載過(guò)坑、滿(mǎn)載過(guò)坑、牽引工況。通過(guò)下述理論公式可得到各工況下車(chē)架上整體的輪載，本文僅將靜止和啟動(dòng)兩種典型工況下的平衡公式列舉出來(lái)，其他工況下的載荷都可通過(guò)這兩種公式衍生出來(lái)進(jìn)行求解。靜止工況各橋受力如圖8所示。

圖8 靜止工況各橋受力示意圖

由力及力矩平衡公式得：

F1+F2=G

(4)

F1×L1=F2×L2

(5)

式中，F(xiàn)1、F2分別為前、后輪載，kN；G為簧上整車(chē)重量，kN；L1為前輪距質(zhì)心點(diǎn)的距離，m；L2為后輪距質(zhì)心點(diǎn)的距離，m。

0.2g啟動(dòng)工況各橋受力如圖9所示。

圖9 平地啟動(dòng)各橋受力示意圖

由力及力矩平衡公式[7]得：

F1+F2=G

Fa=0.2G

(7)

Fa1=0.2×F1

(8)

Fa2=0.2×F2

(9)

F1×L1-G×L2+Fa×H=0

(10)

式中，F(xiàn)a為0.2g啟動(dòng)慣性載荷，kN；Fa1為前橋啟動(dòng)時(shí)地面摩擦力，kN；Fa2為后橋啟動(dòng)時(shí)地面摩擦力，kN；L為整車(chē)軸距，m；H為輪心距質(zhì)心點(diǎn)的高度，m。

3.3 分析結(jié)果

前車(chē)架、中車(chē)架、鏟叉與電池托架的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1—2。從計(jì)算結(jié)果可以看出前、中車(chē)架均是鉸接板與車(chē)架結(jié)合處應(yīng)力較大，前車(chē)架最大應(yīng)力為351.74MPa，中車(chē)架最大應(yīng)力為223.59MPa；鏟叉在其背板與油缸連接板交界處應(yīng)力較大，為300.12MPa，電池托架背板的接觸邊應(yīng)力較大，為287.5MPa，得到的最大應(yīng)力均低于結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度。

表1 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(一)

表2 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(二)

4 應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析對(duì)比

僅使用有限元法對(duì)前車(chē)架進(jìn)行仿真分析不能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，為確保仿真計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，還需在礦區(qū)道路條件下進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)。本文采用VXI EX1629數(shù)采設(shè)備、PCB 481A信號(hào)調(diào)理儀進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，測(cè)試的傳感器為BE120-4CA型三向應(yīng)變計(jì)和BE120-10AA型單向應(yīng)變片，在礦區(qū)道路條件下進(jìn)行了為期三天的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)。應(yīng)變片的測(cè)試位置主要集中在前車(chē)架上，特別是仿真應(yīng)力較大的區(qū)域，應(yīng)變測(cè)試方法為半橋法，粘貼方向秉持環(huán)a軸c的原則。

將礦區(qū)試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)應(yīng)變采用如下公式轉(zhuǎn)換成應(yīng)力：

式中，ε0、ε45、ε90分別為三向應(yīng)變片在三個(gè)方向上測(cè)得的應(yīng)變值；σ1、σ2為主應(yīng)力，MPa；σi為應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；E為試驗(yàn)件材料的彈性模量，MPa；μ為試驗(yàn)件材料的泊松比。

得到如圖10所示的各結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力曲線(xiàn)，可看出，前車(chē)架鉸接區(qū)域測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力為305MPa，中車(chē)架鉸接區(qū)域測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力193MPa，鏟叉油缸連接板區(qū)域測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力294MPa，電池托架背板的接觸邊區(qū)域測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力278.2MPa，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元分析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可看出，有限元計(jì)算的數(shù)據(jù)比試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)要大，且各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元仿真之間的誤差在5%以?xún)?nèi)，充分說(shuō)明有限元分析的正確性。

圖10 區(qū)域測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線(xiàn)圖

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)WXP100防爆特殊型鉛酸蓄電池鏟板式搬運(yùn)車(chē)的結(jié)構(gòu)的分析，通過(guò)Ansys Workbench軟件中建立搬運(yùn)車(chē)有限元模型，并采用有限元分析方法對(duì)搬運(yùn)車(chē)各組成部分在7種運(yùn)行工況下進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析，并通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析的正確性，可作為進(jìn)一步優(yōu)化的基礎(chǔ)。