礦用無軌膠輪車前后車架的有限元分析

劉雋寧,高振亮,汪達(dá)勇

(1.國能神東煤炭集團(tuán),陜西 榆林 719315; 2.常州科研試制中心有限公司,江蘇 常州 213000)

隨著煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)的持續(xù)推進(jìn),無軌膠輪車作為重要煤礦輔助運(yùn)輸設(shè)備,其表現(xiàn)出使用靈活、方便快捷、運(yùn)輸效率高、人員需求低等優(yōu)勢,使其在部分大型煤礦中得到良好應(yīng)用。但由于我國無軌膠輪車研究起步時(shí)間較晚,相關(guān)研制單位較少,使得現(xiàn)有無軌膠輪車設(shè)計(jì)難以滿足煤礦生產(chǎn)需求,部分無軌膠輪車在應(yīng)用中還出現(xiàn)防爆性能差、動(dòng)力不足、廢氣污染大、車架斷裂等質(zhì)量問題。針對此種情況,介紹一種礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)方案,并對其中質(zhì)量控制重點(diǎn)——前后車架進(jìn)行驗(yàn)證分析,解決當(dāng)前國內(nèi)無軌膠輪車應(yīng)用中存在的問題及缺陷,保障無軌膠輪車的有效應(yīng)用,將具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)

1.1 主要尺寸參數(shù)

基于現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),參考同類車型確認(rèn)礦用無軌膠輪車主要尺寸參數(shù)如下:①軸距。貨箱長度為2 800 mm,前輪中心點(diǎn)與前側(cè)覆蓋件后壁之間的距離為1 530 mm,中間鉸接間隙為490 mm,軸距為3 450 mm。②前/后懸掛。前懸掛為1 800 mm,后懸掛為1 370 mm。③輪距。輪距為1 588 mm。④通過性參數(shù)。最小轉(zhuǎn)彎半徑為6.4 m,接近角和離去角分別為20°、41°,最小離地間隙為270 mm。⑤外廓:外廓總長度6 750 mm、總寬度1 930 mm、總高度1 800 mm。

1.2 關(guān)鍵零部件選型

礦用無軌膠輪車的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,整車中的關(guān)鍵零部件如下。

圖1 礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of mining trackless rubber wheeler

(1)防爆柴油機(jī)。選用KC6102ZDFB型防爆增壓柴油機(jī),柴油機(jī)額定功率(80±5) kW,額定轉(zhuǎn)速220 r/min,油缸數(shù)量6缸,油缸缸式為直列,最大扭矩395 N·m,最大轉(zhuǎn)速為1 900 r/min[1]。

(2)變速器。YD130液力—機(jī)械變速箱,變速箱的擋位數(shù)量為“4前3倒”,前進(jìn)傳動(dòng)比為4.425、2.25、1.0、0.64,后退傳動(dòng)比為4.425、2.25、1.0,額定輸入功率130 kW,額定輸入轉(zhuǎn)速2 600 r/min,變矩器型式為三元件。

(3)萬向傳動(dòng)裝置。萬向節(jié)采用十字軸剛性萬向節(jié);傳動(dòng)軸采用兩段式傳動(dòng)軸,兩段傳動(dòng)軸之間設(shè)有中間支撐,傳動(dòng)軸管徑、傳動(dòng)軸軸管內(nèi)徑、前傳動(dòng)軸長度、中間傳動(dòng)軸長度、后傳動(dòng)軸長度分別為64、48、620、540、780 mm。

(4)驅(qū)動(dòng)橋。驅(qū)動(dòng)橋采用KCE1704型車橋,車橋內(nèi)部集成主減速器、差速器以及末端行星減速器等設(shè)備。

(5)輪胎。采用36×12.5-20-28PR型充填輪胎,輪蓋半徑為470 mm。

2 礦用無軌膠輪車前后車架仿真模型構(gòu)建

根據(jù)礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)方案,通過SolidWorks三維模型軟件初步構(gòu)建出礦用無軌膠輪車前車架和后車架三維幾何模型,并根據(jù)無軌膠輪車實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為前車架和后車架配置鉸接孔同軸配合約束以及鉸接孔上下重合配合約束,進(jìn)而形成前后車架整體結(jié)構(gòu)三維幾何模型如圖2所示。

圖2 前后車架整體結(jié)構(gòu)三維幾何模型Fig.2 Three dimensional geometric model of the overall structure of front and rear frame

將前后車架整體結(jié)構(gòu)三維幾何模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中,對模型進(jìn)行簡化處理、單元選擇、材料定義、接觸設(shè)定以及網(wǎng)格劃分等操作。

模型簡化是去除導(dǎo)入后模型中存在的不必要圓角、螺旋孔以及其他非承載結(jié)構(gòu)件,并省略部分工藝結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)在保障前后車架結(jié)構(gòu)綜合性能不受到影響情況下,幾何模型的最大化簡化,降低后續(xù)仿真分析過程中計(jì)算機(jī)仿真分析壓力[2];單元選擇則是在ANSYS軟件中合理為模型配置單元類型。具體單元采用四面體實(shí)體單元;材料定義是為模型配置材料參數(shù)。前后車架主體采用為16Mn材料,此種材料的彈性模量為210GPa、泊松比0.3、最大屈服強(qiáng)度345 MPa以及材料密度為7 850 kg/m3;接觸設(shè)定則是根據(jù)礦用無軌膠輪車各結(jié)構(gòu)件之間的連接形式,合理配置各零件之間的接觸條件。其中車架之間采用焊接、鉸接形式進(jìn)行連接,分別為前車架和后車架中各結(jié)構(gòu)件之間設(shè)定為焊接類型,將前車架與后車架之間設(shè)定為鉸接類型。

網(wǎng)格劃分則是對經(jīng)過以上過程處理后的模型實(shí)施網(wǎng)格劃分。此過程中設(shè)置網(wǎng)格大小為20 mm,采用自由網(wǎng)格劃分模型,共生成163 489個(gè)節(jié)點(diǎn)和57 617個(gè)單元,所形成的網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖3 前后車架網(wǎng)格劃分模型Fig.3 Mesh generation model of the overall structure of front and rear frame

另外,礦用無軌膠輪車在運(yùn)行過程中存在諸多載荷影響因素,包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、散熱器、液壓油箱、燃油箱、補(bǔ)水箱、貨箱、重物、駕駛室、人員、座椅、氣罐、廢氣處理箱等,在仿真分析中也需要根據(jù)以上載荷實(shí)際為模型配置基本載荷條件[3]。

3 礦用無軌膠輪車前后車架靜力學(xué)仿真分析

3.1 靜力學(xué)仿真工況分析

根據(jù)礦用無軌膠輪車運(yùn)行特性分析,確認(rèn)無軌膠輪車典型工況包括彎曲工況、彎扭工況、緊急制動(dòng)工況、轉(zhuǎn)彎工況以及爬坡工況,其中彎曲工況和彎扭工況是導(dǎo)致無軌膠輪車前后車架損壞的主要工況因素[4]。

在彎曲工況下,無軌膠輪車前后車架會(huì)在裝載貨物時(shí)同時(shí)承受貨物的沖擊力以及地面對前后車架的反作用力,進(jìn)而導(dǎo)致前后車架出現(xiàn)彎曲變形情況;在彎扭工況下,無軌膠輪車行駛于不平路面,某一車輪在地面的影響下出現(xiàn)抬高或者下陷情況,使得四輪不處于同一水平面,此時(shí)前后車架存在受力不均情況,易對前后車架造成彎曲扭轉(zhuǎn)影響[5]。

考慮到設(shè)計(jì)中膠輪車采用鉸接式結(jié)構(gòu),使得前架和后架可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立擺動(dòng),所以可在不平路面下保證四輪著地效果,基板上可以避免彎扭工況對車架影響,所以在具體仿真分析過程中主要考慮彎曲工況。

3.2 彎曲工況下靜力學(xué)仿真分析

根據(jù)礦用無軌膠輪車運(yùn)行情況,將無軌膠輪車彎曲工況細(xì)化為滿載彎曲工況、滿載啟動(dòng)工況、滿載制動(dòng)工況、滿載轉(zhuǎn)彎工況、滿載爬坡工況等5個(gè)工況條件,通過ANSYS軟件進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析,具體仿真分析結(jié)果如下。

3.2.1 滿載彎曲工況

滿載彎曲工況是指礦用無軌膠輪車在滿載靜止或者滿載勻速運(yùn)動(dòng)條件下前后車架彎曲變形情況。具體仿真分析結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 滿載彎曲工況下前后車架等效應(yīng)力云圖Fig.4 Equivalent stress cloud chart of front and rear frames under full load bending condition

圖5 滿載彎曲工況下前后車架等效位移云圖Fig.5 Equivalent displacement cloud chart of front and rear frames under full load bending condition

由圖4可知,在滿載彎曲工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效應(yīng)力值為42.361 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)楹筌嚰茏笄皞?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效應(yīng)力為21.5 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)榍败嚰茏蠛髠?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。其他區(qū)域所承受的應(yīng)力較小,所有區(qū)域所承受的應(yīng)力值均小于材料的最大屈服強(qiáng)度,確認(rèn)滿載彎曲工況下前后車架可正常應(yīng)用。

由圖5可知,在滿載彎曲工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效位移為0.215 47 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)楹筌嚰苌香q接體區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效位移為0.187 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)榍败嚰茏笄敖菂^(qū)域。

3.2.2 滿載啟動(dòng)工況

滿載啟動(dòng)工況是指車輛在滿載情況下,以5 000 mm/s2的啟動(dòng)加速度進(jìn)行啟動(dòng)加速,通過仿真分析獲取到如圖6和圖7所示的仿真結(jié)果。

圖6 滿載啟動(dòng)工況下前后車架等效應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent stress cloud chart of front and rear frames under full load starting condition

由圖6可知,滿載啟動(dòng)工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效應(yīng)力為54.924 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)楹筌嚰茏笄皞?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效應(yīng)力為28.8 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)榍败嚰茏蠛髠?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。其他區(qū)域所承受的應(yīng)力較小,基本處于6.1 MPa以內(nèi),所有區(qū)域所承受的應(yīng)力值均小于材料的最大屈服強(qiáng)度,確認(rèn)滿載啟動(dòng)工況下前后車架可正常應(yīng)用。

圖7 滿載啟動(dòng)工況下前后車架等效位移云圖Fig.7 Cloud chart of equivalent displacement of front and rear frames under full load starting condition

由圖7可知,在滿載啟動(dòng)工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效位移值為0.269 6 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)楹筌嚰苌香q接體區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效位移值為0.196 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)榍败嚰茏笄敖菂^(qū)域。

3.2.3 滿載制動(dòng)工況

滿載制動(dòng)工況是指礦用無軌膠輪車在初速度為20km/h的速度下實(shí)施緊急制動(dòng),制動(dòng)減速度為6 750 mm/s2,制動(dòng)距離為2.29 m,具體仿真分析結(jié)果如下。

滿載制動(dòng)工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效應(yīng)力為49.167 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)楹筌嚰茏笄皞?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效應(yīng)力為24.3 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)榍败嚰茏蠛髠?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。其他區(qū)域所承受的應(yīng)力較小,基本處于6.47 MPa以內(nèi),所有區(qū)域所承受的應(yīng)力值均小于材料的最大屈服強(qiáng)度,確認(rèn)滿載制動(dòng)工況下前后車架可正常應(yīng)用。

在滿載制動(dòng)工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效位移值為0.269 6 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)楹筌嚰苌香q接體區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效應(yīng)力值為0.231 1 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)榍败嚰茏笄敖菂^(qū)域。

3.2.4 滿載轉(zhuǎn)彎工況

滿載轉(zhuǎn)彎工況是指礦用無軌膠輪車在最小轉(zhuǎn)彎半徑為6.4 m,轉(zhuǎn)彎速度為1.946 m/s,轉(zhuǎn)彎角速度為0.304 r/s情況下實(shí)施轉(zhuǎn)彎操作。具體仿真分析結(jié)果如下。

滿載轉(zhuǎn)彎工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效應(yīng)力為41.429 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)楹筌嚰茏笄皞?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效應(yīng)力為18.2 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)榍败嚰茏蠛髠?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。其他區(qū)域所承受的應(yīng)力較小,基本處于4.6 MPa以內(nèi),所有區(qū)域所承受的應(yīng)力值均小于材料的最大屈服強(qiáng)度,確認(rèn)滿載轉(zhuǎn)彎工況下前后車架可正常應(yīng)用。

在滿載轉(zhuǎn)彎工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效位移值為0.206 9 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)楹筌嚰茏詈髾M梁區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效位移值為0.164 3 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)榍败嚰茏笄敖菂^(qū)域。

3.2.5 滿載爬坡工況

滿載爬坡工況是指礦用無軌膠輪車在14°坡上行駛工況。具體仿真結(jié)果如下。

滿載爬坡工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效應(yīng)力為47.042 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)楹筌嚰茏笄皞?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效應(yīng)力為21.7 MPa,對應(yīng)的最大等效應(yīng)力區(qū)域?yàn)榍败嚰茏蠛髠?cè)板簧與車架鉸接銷孔區(qū)域。其他區(qū)域所承受的應(yīng)力較小,基本處于5.23 MPa以內(nèi),所有區(qū)域所承受的應(yīng)力值均小于材料的最大屈服強(qiáng)度,確認(rèn)滿載爬坡工況下前后車架可正常應(yīng)用。

在滿載爬坡工況條件下,礦用無軌膠輪車前后車架所承受的最大等效位移值為0.232 8 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)楹筌嚰茏詈髾M梁區(qū)域。同時(shí),前車架所承受的最大等效位移值為0.171 4 mm,對應(yīng)的最大等效位移區(qū)域?yàn)榍败嚰茏笄敖菂^(qū)域。

總體來說,5種彎曲工況下礦用無軌膠輪車前后車架性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,初步確認(rèn)礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)可行性。

4 礦用無軌膠輪車前后車架模態(tài)仿真分析

在實(shí)施靜力學(xué)分析后,考慮到靜力學(xué)分析過程未對動(dòng)載荷等因素進(jìn)行綜合分析,所以為進(jìn)一步驗(yàn)證礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)可行性,采用模態(tài)分析方法對礦用無軌膠輪車前后車架進(jìn)行仿真分析,主要分析模態(tài)為前六階模態(tài)[6],具體仿真分析結(jié)果如下。

礦用無軌膠輪車前后車架第一階固有模態(tài)如圖8所示,礦用無軌膠輪車前后車架第一階固有模態(tài)主要表現(xiàn)為車架整體剛性振動(dòng),對應(yīng)的固有振動(dòng)頻率為0 Hz。

礦用無軌膠輪車前后車架第二階固有模態(tài)如圖9所示,礦用無軌膠輪車前后車架第二階固有模態(tài)主要表現(xiàn)為車架整體剛性振動(dòng),對應(yīng)的固有振動(dòng)頻率為5.173 2×10-4Hz。

圖8 礦用無軌膠輪車前后車架第一階固有模態(tài)Fig.8 First order natural mode of front and rear frames of mining trackless rubber wheelers

圖9 礦用無軌膠輪車前后車架第二階固有模態(tài)Fig.9 Second order natural mode of front and rear frames of mining trackless rubber wheelers

礦用無軌膠輪車前后車架第三階固有模態(tài)與前兩階固有模態(tài)較為類似,主要表現(xiàn)為車架整體剛性振動(dòng),對應(yīng)的固有振動(dòng)頻率為1.722 1×10-3Hz。

第四階固有模態(tài)主要表現(xiàn)為前車架前端縱向彎曲變形振動(dòng),對應(yīng)的固有振動(dòng)頻率為11.177 Hz。

第五階固有模態(tài)主要表現(xiàn)為前車架前端上下彎曲扭轉(zhuǎn)振動(dòng),對應(yīng)的固有振動(dòng)頻率為16.357 Hz。

第六階固有模態(tài)主要表現(xiàn)為后車架后端上下彎曲扭轉(zhuǎn)變形振動(dòng),對應(yīng)的固有振動(dòng)頻率為26.423 Hz。

根據(jù)理論計(jì)算分析可知,礦用無軌膠輪車在未破樁路面、碎石路面、搓板路面以及平坦公路上行駛時(shí)所產(chǎn)生的激勵(lì)頻率分別為6.13、14.76、6.38、4.72 Hz,其中與無軌膠輪車固有模態(tài)振動(dòng)頻率最為接近的為碎石路面激振頻率,為降低路面對無軌膠輪車車架的影響,應(yīng)在碎石路面上減速行駛[7]。另外,無軌膠輪車發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率為37.5 Hz,此激振頻率處于第七階(29.305 Hz)和第八階(38.549 Hz)固有振動(dòng)頻率之間,說明正常行駛狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)激振不會(huì)對車架造成影響[8]。

5 礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用

結(jié)合靜力學(xué)仿真分析和模態(tài)仿真分析可知,礦用無軌膠輪車前后車架受力薄弱點(diǎn)主要集中在前車架前端、后車架后端等區(qū)域。為有效增加各區(qū)域的綜合性能,在前車架前端駕駛艙底部區(qū)域增設(shè)加強(qiáng)筋,并增加前車架縱梁鋼板厚度;增加后車架最后橫梁尺寸[9]。基于以上方案對礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,根據(jù)優(yōu)化后的礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)生產(chǎn)無軌膠輪車實(shí)物,并將實(shí)物應(yīng)用于某煤礦實(shí)際生產(chǎn)過程中。

在應(yīng)用后,過往采用軌道運(yùn)輸時(shí)需要1個(gè)班1天或者多天才能夠完成的運(yùn)輸任務(wù),如今僅需要不到1h的時(shí)間便可以完成。例如,某煤礦原計(jì)劃采用軌道運(yùn)輸1個(gè)月完成的液壓支架搬運(yùn)任務(wù),應(yīng)用2臺(tái)無軌膠輪車僅需10 d便可以完成整個(gè)工作任務(wù),有效提高某煤礦液壓支架搬運(yùn)作業(yè)效率[10]。

另外,在應(yīng)用無軌膠輪車以后,某煤礦全面實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車輔助運(yùn)輸,應(yīng)用后礦井內(nèi)運(yùn)輸人員從原本的20人減少至6人,礦井全員工效達(dá)到108.4 t/工,僅輔助運(yùn)輸費(fèi)用便下降80%,支架安裝效率則提升3倍有余,有效提高某煤礦的整體運(yùn)輸效率和效果,降低井下工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí),也提高生產(chǎn)效率和安全性,具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)語

綜上所述,基于礦用無軌膠輪車工作條件和要求,介紹一種礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)方案。為檢驗(yàn)此礦用無軌膠輪車可行性和應(yīng)用價(jià)值,分別采用靜力學(xué)仿真分析方法和模態(tài)仿真方法對礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)方案的主體架構(gòu)——前后車架進(jìn)行分析驗(yàn)證,進(jìn)而確認(rèn)礦用無軌膠輪車前后車架結(jié)構(gòu)符合性能要求。另外,將礦用無軌膠輪車總體設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于工程實(shí)踐,進(jìn)一步確認(rèn)其具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值,可在后續(xù)礦用無軌膠輪車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行參考應(yīng)用。