礦井重型車輛鉸接銷軸動態(tài)有限元分析

羅 劍

（寶鋼集團(tuán) 梅山礦業(yè)有限公司，江蘇 南京 210041）

0 引言

井下無軌膠輪設(shè)備在近十幾年中得到了長足發(fā)展，為了保證這些設(shè)備在巷道中的靈活性，多數(shù)采用了中間鉸接的結(jié)構(gòu)形式，例如金屬礦山中以SANDIVK、ATLAS公司為代表的鏟運(yùn)機(jī)、NORMET公司的多功能車，煤礦中以DBT公司為代表的FBL40和MH－40鏟板式支架搬運(yùn)車、平板拖車式支架搬運(yùn)車等。鉸接銷軸是該類設(shè)備的主要薄弱點(diǎn)，本文重點(diǎn)分析研究該類鉸接車輛在平坦、顛簸兩種不同路面上運(yùn)行時鉸接銷軸的受力情況，通過有限元分析計算銷軸應(yīng)力的變化規(guī)律，為其國產(chǎn)化提供一些設(shè)計參考?？紤]到國產(chǎn)化無軌設(shè)備在國內(nèi)煤礦中被廣泛接受，具有一定市場潛力，因此本文以DBT公司的FBL40鏟板式支架搬運(yùn)車為例進(jìn)行分析。

1 FBL40板式搬運(yùn)車結(jié)構(gòu)及工作原理

FBL40板式搬運(yùn)車自重40t，滿載載荷40t。車身主要由鏟板、前機(jī)架、后車架三部分組成，如圖1所示。鏟板為板梁焊接結(jié)構(gòu)，是搬運(yùn)、承載支架的工作裝置。前機(jī)架設(shè)計為整體承載式焊接結(jié)構(gòu)，在前端與鏟板根部鉸接，前、后機(jī)架通過鉸接銷軸可以相對做一定角度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動；后機(jī)架為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，承載著動力源。

2 鉸接部結(jié)構(gòu)及鉸接銷軸模型

FBL40鏟板式搬運(yùn)車采用上、下兩個鉸接銷軸連接前、后機(jī)架，前、后機(jī)架通過轉(zhuǎn)向油缸推拉作用，繞鉸接銷軸旋轉(zhuǎn)一定角度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，表1給出了鉸接銷軸的幾何尺寸及所用材料特性，圖2為鉸接結(jié)構(gòu)及鉸接銷軸模型。

圖1 板式搬運(yùn)車整車結(jié)構(gòu)布置圖

表1 銷軸幾何尺寸及材料力學(xué)特性

圖2 鉸接結(jié)構(gòu)及銷軸三維模型

3 鏟板式搬運(yùn)車計算模型的建立

3．1 模型材料的定義

上、下鉸接銷軸材料均為40Cr，因此在建立銷軸三維模型時定義其材料為40Cr。

3．2 三維模型的建立與導(dǎo)入

銷軸CAD模型是在AutoCAD軟件中建立的，將CAD模型轉(zhuǎn)成stp文件，再導(dǎo)入有限元軟件中。單位系統(tǒng)選用kg、ms、mm。根據(jù)零件自身結(jié)構(gòu)特征，選擇相應(yīng)有限元單元——體單元，合理地建立其有限元模型。

3．3 計算工況的選擇

搬運(yùn)車通常在大巷中行駛，其路面狀況與地面工程機(jī)械基本相似。根據(jù)要求，選擇滿載情況下整車在搓衣板和平坦路面行駛這兩種工況對其鉸接銷軸的受力情況進(jìn)行分析。

3．4 定義接觸

對與鉸接銷軸相對運(yùn)動的連接部件定義接觸，在有限元軟件中設(shè)置接觸類型，定義一般的接觸摩擦系數(shù)為0．3（靜摩擦系數(shù)）。

3．5 定義邊界條件

重力始終作用在模擬過程中，定義重力效果。車輛要在路面上行駛，故必須定義初始速度，其次是定義車輪的轉(zhuǎn)速。

3．6 定義求解時間和輸出文件

定義求解時間為400ms，輸出的頻率為5ms一次。設(shè)定沙漏控制等，以提高計算精度。

至此，有限元模型建立完成，下面就整車在搓衣板路面和平坦路面運(yùn)行工況下對鉸接銷軸分別進(jìn)行計算分析。

4 在平面路面上搬運(yùn)車鉸接銷軸強(qiáng)度分析

搬運(yùn)車在普通平面路面上滿載情況下以18km／h的車速行駛時，中間鉸接銷軸是連接前、后車架的關(guān)鍵部位，工況比較惡劣，該處承受的更多的是彎曲力矩等作用。圖3為上銷軸等效應(yīng)力云圖和單元等效應(yīng)力時間歷程曲線，從圖3中看出，在這個時刻整體最大應(yīng)力已接近80MPa。圖4為下銷軸的等效應(yīng)力云圖和單元等效應(yīng)力時間歷程曲線，在這個時刻整體最大應(yīng)力已接近150MPa，其中11 066 680單元是這個零件上應(yīng)力較大單元。

圖3 平面路面上銷軸等效應(yīng)力云圖和單元等效應(yīng)力時間歷程曲線

銷軸的材料為40Cr，屈服強(qiáng)度為540MPa。從圖3和圖4中鉸接銷軸的單元等效應(yīng)力時間歷程曲線可以看出，車輛在平面路面行駛時兩個鉸接銷軸均符合強(qiáng)度要求。

5 在搓衣板路面上搬運(yùn)車鉸接銷軸強(qiáng)度分析

當(dāng)搬運(yùn)車在搓衣板路面上滿載情況下（鏟板鏟運(yùn)40t支架）以18km／h的車速行駛時，對其中間鉸接銷軸的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分析。圖5為上銷軸的等效應(yīng)力云圖和單元等效應(yīng)力時間歷程曲線，從圖5中看出，在這個時刻整體最大應(yīng)力已接近400MPa，其中單元13 469 059是這個零件上應(yīng)力較大單元。圖6為下銷軸的等效應(yīng)力云圖和單元等效應(yīng)力時間歷程曲線，在這個時刻整體最大應(yīng)力已接近260MPa，其中單元11 066 680是這個零件上應(yīng)力較大單元。

圖4 平面路面下銷軸等效應(yīng)力云圖和單元等效應(yīng)力時間歷程曲線

圖5 搓衣板路面上銷軸等效應(yīng)力云圖和單元等效應(yīng)力時間歷程曲線

圖6 搓衣板路面下銷軸等效應(yīng)力云圖和單元等效應(yīng)力時間歷程曲線

銷軸的材料為40Cr，屈服強(qiáng)度為540MPa。從圖5和圖6中鉸接銷軸的單元等效應(yīng)力時間歷程曲線可以看出，車輛在搓衣板路面行駛時兩個銷軸同樣滿足強(qiáng)度要求。

6 結(jié)束語

通過對兩種路面工況的計算分析，我們可以看到搬運(yùn)車的上、下鉸接銷軸設(shè)計時確定的幾何尺寸以及所選材料均能較好地滿足使用要求，鉸接銷軸的等效應(yīng)力均沒有超過材料的屈服極限。

［1］ 傅志方．振動模態(tài)分析與參數(shù)辨識［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990．

［2］ 李晧月．ANSYS工程計算應(yīng)用教程［M］．北京：中國鐵道出版社，1995．