礦用自卸車物料傾卸過程受力分析

王國寶,祁玉龍,2,周生霞，梁 康

(1.徐工集團(tuán)江蘇徐州工程機(jī)械研究院 產(chǎn)品研發(fā)中心,江蘇 徐州 221004; 2.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,北京 100084;3.中國石化管道儲運(yùn)有限公司 搶維修中心，江蘇 徐州 221008)

在裝載及運(yùn)輸貨物過程中,貨物產(chǎn)生的沖擊力及全部質(zhì)量主要由車架承擔(dān).由于車廂與車架的接觸主要是面接觸,應(yīng)力集中相對較弱.舉升過程中,車廂及貨物的質(zhì)量主要由舉升油缸和后鉸支點(diǎn)承擔(dān),其接觸形式主要是點(diǎn)接觸,應(yīng)力集中情況較嚴(yán)重.因此,分析物料傾卸過程對礦車車廂、舉升機(jī)構(gòu)和后鉸支點(diǎn)等相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要意義.

目前,車廂和舉升等結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程通常進(jìn)行滿載舉升不卸貨分析,即舉升過程中不考慮物料滾落過程.依據(jù)該方法得到的設(shè)計數(shù)據(jù)不符合實(shí)際生產(chǎn)需求,易導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計冗余度大和車廂質(zhì)量超重等問題.同時考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量時,易產(chǎn)生部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件設(shè)計冗余度不足,無法滿足結(jié)構(gòu)使用壽命等問題.針對這些問題,葛志偉等[1]針對鏟斗型自卸車車廂結(jié)構(gòu),建立平裝條件下貨物傾卸數(shù)學(xué)模型,給出物料質(zhì)心位置變化曲線.馬洪峰等[2]分析礦用自卸車車廂設(shè)計發(fā)展趨勢及實(shí)際特點(diǎn),考慮車廂結(jié)構(gòu)形式及承載工況,進(jìn)行車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,并有限元仿真分析驗(yàn)證結(jié)論.董志明等[3]分析了車廂在物料運(yùn)輸、舉升卸料、裝載物料等工況下的受理情況,得出了對應(yīng)工況下的動態(tài)變化載荷.武建強(qiáng)等[4]采用離散元軟件分析了不同顆粒下物料卸料的過程,得出了不同顆粒對卸料過程的影響程度.

因此,本文依據(jù)巖土摩擦理論,分析礦用卡車傾卸過程中車廂及殘余物料的質(zhì)量、質(zhì)心位置的變化函數(shù),給出舉升結(jié)構(gòu)受力情況,為車廂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ).

1 物料傾卸過程分析

物料傾卸過程中,舉升油缸伸長,車廂舉升角度增大,車廂與水平面的傾斜角度增大,物料堆積角逐漸增大,當(dāng)物料堆積角到達(dá)該物料的安息角時,物料沿物料坡面滾落.在該過程中,車廂的質(zhì)量不變,殘余物料質(zhì)量、殘余物料質(zhì)心位置和車廂質(zhì)心位置均隨舉升角度增大而連續(xù)變化.

1.1 物料堆積模型

車廂是礦用自卸車的重要功能部件之一,其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定車廂容積及貨物堆積形式.本文分析的車廂底板采用經(jīng)典的前低后高式結(jié)構(gòu),其傾斜角為9°,從而防止礦車爬坡過程物料滾落.車廂兩側(cè)板為平行結(jié)構(gòu),保障車廂容積.車廂前擋板帶防砸護(hù)罩,保護(hù)駕駛平臺的安全.該型車廂采用無后欄擋板設(shè)計,保障礦車卸貨效率.

如圖1所示,針對礦用卡車車廂結(jié)構(gòu),依據(jù)ISO 6483標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建2∶1滿載條件下物料堆積模型,得到近似物料模型，如圖2所示.

圖1 物料2∶1堆裝示意圖Fig.1 The proportion 2∶1 of the material stowage

1.2 物料傾卸機(jī)理

假定物料材質(zhì)一致,顆粒均勻,空氣及水分含量一致.忽略物料顆粒之間黏性,由于均質(zhì)無黏性土顆粒間無內(nèi)聚力,物料堆積失穩(wěn)主要是由單個土顆粒的滑動引起的.物料失穩(wěn)的主要形式是物料顆粒沿坡面滑動[5].

圖2 物料堆積模型Fig.2 The material accumulating model

舉升過程中,物料堆積角不斷增大,物料顆粒重力沿坡面下滑力Wsinβ逐漸增大，如圖3所示.當(dāng)物料質(zhì)點(diǎn)重力沿坡面下滑力與物料顆粒切向摩擦阻力T′相等時,該物料質(zhì)點(diǎn)處于平衡狀態(tài),此時物料堆積角β即為物料安息角.隨舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)一步舉升,物料堆積進(jìn)一步增大時,物料顆粒重力沿坡面下滑力大于物料顆粒切向摩擦阻力T′,物料沿堆積坡面滾落.

圖3 物料傾卸機(jī)理Fig.3 Mechanism of conducting material dump

臨界狀態(tài)為

(1)

即

(2)

式中:W為物料顆粒重力;T′為切向摩擦阻力;N為坡面法向支撐力;β為堆積坡面與水平面的夾角;μ為物料靜摩擦系數(shù).

物料的安息角為β,任意時刻物料堆積角均不可能大于β,超出安息角部分的物料將沿物料堆積坡面滾落.自卸車傾卸物料過程中,物料堆積角不斷增大,超出物料安息角的物料將沿物料安息面滾落,從而實(shí)現(xiàn)物料的傾卸.因此,物料傾卸過程中,物料傾卸速率與安息面的面積呈正比.如圖4所示,車廂內(nèi)物料堆積角度均與物料安息角β相等.

圖4 物料傾卸過程Fig.4 The material dump process

2 質(zhì)量及質(zhì)心函數(shù)

滿載條件下,舉升過程匯總的負(fù)載主要由兩部分決定,車廂的質(zhì)量及質(zhì)心位置、殘存物料質(zhì)量及質(zhì)心位置.下面就這兩個方面展開研究.

如圖5所示,以車輛行駛方向?yàn)閥軸,以高度方向?yàn)閦軸,依據(jù)右手螺旋準(zhǔn)則確定x軸,以舉升鉸支點(diǎn)中軸線建立坐標(biāo)系.

圖5 舉升鉸支點(diǎn)坐標(biāo)系Fig.5 The coordinate system of lifting hinge pivot

2.1 車廂質(zhì)心函數(shù)

初始滿載條件下車廂質(zhì)心位置如下:x=0 mm;y=2 028.6 mm;z=1 095.3 mm.

忽略車廂的磨損與變形,車廂的質(zhì)量不變,車廂的質(zhì)心繞坐標(biāo)原點(diǎn)做圓周運(yùn)動.

圖6 車廂重心位置示意圖Fig.6 The carriage center of gravity position

車廂質(zhì)心位置函數(shù)為

z=G1L1cos(α+α0)

(5)

式中:L1為車廂質(zhì)心距鉸支點(diǎn)的距離;α為車廂舉升角度;α0為車廂重心初始位置角度;G1為車廂重力.

2.2 物料質(zhì)心函數(shù)

依據(jù)ISO 6483標(biāo)準(zhǔn)建立的物料堆積模型,如圖7和圖8所示.對物料堆積模型邊界面進(jìn)行編號,則該模型方程可以表示為

圖7 zOy平面物料示意圖Fig.7 The zOy-plane of material

圖8 zOx平面物料示意圖Fig.8 The zOx-plane of material

第1邊界:

(6)

第2邊界:

(7)

第3邊界:

(8)

第4邊界:

(9)

第5邊界:

(10)

第6邊界:

(11)

第7邊界:

(12)

第8邊界:

(13)

第9邊界:

(14)

第10邊界:

(15)

依據(jù)物料傾卸速率,如圖7所示,假定物料傾卸過程可以劃分為4個階段,分別針對這4個階段重積分計算物料質(zhì)心:

第1階段,傾卸安息面在ABC區(qū)域內(nèi);第2階段,傾卸安息面在ACD區(qū)域內(nèi);第3階段,傾卸安息面在ADE區(qū)域內(nèi);第4階段,傾卸安息面在AEO區(qū)域內(nèi).

3 結(jié)果分析

依據(jù)以上分析得到殘余物料與車廂復(fù)合質(zhì)量及質(zhì)心變化函數(shù),進(jìn)而推算后鉸支點(diǎn)及舉升油缸受力曲線,為礦用自卸車相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)基礎(chǔ).

3.1 復(fù)合質(zhì)量曲線

由圖9曲線所示,復(fù)合質(zhì)量即車廂質(zhì)量與殘余物料質(zhì)量之和.舉升過程中,復(fù)合質(zhì)量隨舉升角度的增大而逐漸減小,且物料傾卸速率與安息面的面積成正比,當(dāng)安息面最大時,物料傾卸速率最大.物料傾卸完畢后,復(fù)合質(zhì)量與車廂的質(zhì)量相等.

圖9 復(fù)合質(zhì)量變化曲線Fig.9 The change curve of the composite quality

3.2 復(fù)合質(zhì)心位置曲線

如圖10所示,車廂和殘余物料的復(fù)合質(zhì)心位置隨舉升角度的變化而變化.

水平方向,隨著舉升角度的增大,復(fù)合質(zhì)心y軸數(shù)值降低,如abcd曲線所示.豎直方向,舉升初始階段,僅有少部分物料滾落,滾落部分物料對復(fù)合質(zhì)心位置的影響較弱,復(fù)合質(zhì)心隨舉升角度的增大而升高,如ab段曲線所示.隨著舉升角度的增大,物料滾落速率增大,復(fù)合質(zhì)心隨舉升角度的增大而降低,如bc段曲線所示.進(jìn)一步舉升,大部分物料已經(jīng)滾落,車廂質(zhì)量及質(zhì)心位置對復(fù)合質(zhì)心的作用較大,復(fù)合質(zhì)心進(jìn)一步提高[6],如cd段曲線所示.

圖10 復(fù)合質(zhì)心位置曲線Fig.10 The curve of the composite center-of-mass

3.3 舉升油缸受力曲線

如圖11所示,滿載舉升卸貨與滿載舉升不卸貨條件下,舉升油缸的受力變化趨勢基本一致,均隨舉升高度的增大而降低.滿載舉升不卸貨與滿載舉升卸貨的相對誤差在±10%之間[7].

圖11 舉升油缸受力曲線Fig.11 The forcing curve of lifting oil cylinder

3.4 舉升鉸支點(diǎn)受力曲線

如圖12所示,在滿載舉升卸貨與滿載舉升不卸貨條件下,舉升油缸的受力變化趨勢相差較大.在滿載舉升不卸貨條件下,舉升鉸支點(diǎn)的受力隨舉升角度的增大而不斷增大;在滿載舉升卸貨條件下,舉升初始階段舉升鉸支點(diǎn)受力逐漸增大,隨舉升角度的增大舉升鉸支點(diǎn)的受力到達(dá)最大值后逐漸降低.滿載舉升不卸貨相對于滿載舉升卸貨,前者條件下舉升鉸支點(diǎn)所受最大力是后者的3.9倍.

圖12 舉升鉸支點(diǎn)受力曲線Fig.12 The forcing curve of lifting hinge pivot

4 結(jié)論

針對礦用卡車,構(gòu)建物料堆積模型,研究物料傾卸機(jī)理,分析滿載舉升卸貨條件下物料傾卸過程,獲得以下結(jié)論:

(1) 以物料安息角為臨界角,分析物料傾卸過程,得到滿載舉升卸貨條件下復(fù)合質(zhì)量變化曲線、復(fù)合質(zhì)心變化曲線、舉升油缸受力變化曲線和舉升鉸支點(diǎn)受力曲線;

(2) 在滿載舉升不卸貨和滿載舉升卸貨條件下,舉升油缸的受力變化趨勢基本一致,相對誤差在±10%之間;

(3) 在滿載舉升不卸貨和滿載舉升卸貨條件下,舉升鉸支點(diǎn)受力變化趨勢不同,滿載舉升不卸貨相對于滿載舉升卸貨,前者條件下舉升鉸支點(diǎn)所受最大力是后者的3.9倍.

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