基于井下膠輪車車架的動態應力研究

許宏宇 劉天生 王宏宇 竇雪

【摘要】井下工作環境有限的情況下對礦用防爆膠輪車車架強度的要求較高，首先建立礦用膠輪車的多體動力學模型，然后選取與井下較為相似的路面進行仿真，得到不同激勵下的峰值。建立礦用膠輪車的有限元模型對膠輪車前車架與后車架進行動態應力分析，得到車架不同方位的受力情況，通過應力分析可知，車架最大受力為320MP，滿足使用要求與車架強度極限，為車架的優化提供了基礎。

【關鍵詞】膠輪車;車架;動態應力分析

1.引言

礦用防爆膠輪車是礦井中運輸物料以及裝備的常用設備，該設備具有轉向靈活，操作簡易，裝載能力較強的有點，使用范圍較廣泛 [1]。目前在膠輪車車架的設計過程中，多把動載荷系數與車架的靜態分析結果作為設計的標準[2]。車體在井下作業時承受的動應力是隨時變化的，包括大小及方向，所以這種做法有很大缺陷。為了更好的分析車架質量，筆者通過ADAMS軟件建立了多體動力學模型，針對典型的左右顛簸路況進行動力學仿真，獲得隨機激勵下的峰值力。并用有限元法在ANSYS軟件中對車架進行動態應力分析，找到其應力分布情況以及結構受力較危險區域，對車架的結構優化設計提供了基礎。

2.膠輪車的建模及仿真

2.1 多體動力學模型的建立

首先根據膠輪車的設計尺寸采用Solidworks軟件建立膠輪車主車架的CAD模型，然后將其導入到ADAM中，并在ADAM中直接建立其他部件的模型并按照實際的裝配方式裝配起來。車體模型如圖1。路譜模型的建立：實驗選擇具有代表性的矩形坑路面。針對實際的作業情況建立路譜文件，主要參數如下：左輪經過正弦路面，右輪經過余弦路面，兩種路面間平路距離為35mm。兩種路面的波長均為1300mm，振幅為38mm，仿真時間為20s，步長2000mm，其有效時間約為12～20s。設定好各項參數后進行仿真實驗。

圖1 礦用膠輪車模型

2.2 仿真結果分析

實驗結束后，提取各部件連接處的載荷曲線。圖2為主車架與駕駛操縱連接處的載荷曲線。表1為各部件與主車架連接處峰值時間以及峰值大小。從圖2可以看出，動態峰值與豎直方向上的峰值力大小十分接近，y方向上的峰值力為主力，x和z方向上的力對主車架的影響很小。所以，在對主車架動態應力分析過程中可以用峰值力來代替y方向上的峰值力。

3.車架的動應力分析

3.1 建立有限元模型

為了得到更好的網格劃分效果，在建立車架模型時可省去一些對實驗結果影響很小的部分倒角和微小結構。在軟件Solidworks中建立好車架模型，然后將簡化的車架模型以Parasolid的格式導入到軟件Ansys中。劃分網格時，應該同時確定計算精度和計算規模這兩方面因素。采用自由網格劃分，確保計算精度，通過分析前車架精度選為5級，后車架精度選為7級。然后坐標系的選取，X軸為車體行駛的方向，Y軸為垂直于車架表面的方向，Z軸為與紙面互相垂直的方向[3]。

圖3 膠輪車車架動態分析云圖

3.2 動態應力分析結果

因為此次動態應力分析屬于非線性分析，所以應首先設置好其相關的參數，然后提交計算。其中載荷子步數為5，求解時間設為50s。求解完成后車架的應力分布圖如圖3所示。其中車架材料選為16Mn合金鋼，失效形式多為塑性屈服，在進行應力分析時主要采用第四強度理論來進行分析，因為其主要考慮了主應力的影響而且對塑性屈服也有很好的描述[4，5]。

由動態應力分析可知：

在通過矩形坑路譜時，前車架峰值力為320MP，后車架峰值力為170MP。雖然在實驗過程中，各部分的峰值力出現時間各不相同，但主車架上最大應力為320MP，小于車架選用材料的許用應力值420MP。而且在實驗中可以發現各部分最大應力值出現的時間很短，約為0.2s。針對以上實驗結果，發現各部位的應力要遠小于車架材料的許用應力值420MP，所以車架的結構設計合理。

4.結論

筆者以某礦用防爆膠輪車作為研究對象，根據其井下巷道工作環境的特點，通過ADAMS軟件建立了車體的多體動力學模型并針對矩形坑路面進行動態仿真實驗，獲得了各部件隨機激勵下的峰值力。在ANSYS軟件中建立有限元計算模型，用有限元法對主車架進行了動態應力分析。通過實驗分析可知，車架最大受力為320MP，滿足車架強度要求，該膠輪車結構設計合理，各部件受力情況均滿足強度要求。

參考文獻

[1]張華.鎂合金摩托車車架的強度分析[P].長春：吉林大學，2008.

[2]曾發林，李德華，范嫦娥.某車架有限元建模及仿真研究[J].制造業自動化，2012，34（2）：103-106

[3]陽清泉，谷正氣，米承繼.SF33900型礦用自卸車車架疲勞壽命分析[J].汽車工程，2012，34（11）：1015-1019.

[4]閆振華.礦用自卸車車架靜態及動態應力數值模擬研究[P].長春：吉林大學，2007.

[5]魏占紅，林都.某礦用防爆膠輪車輕量化設計研究[J].礦山機械，2011，39（3）：21-25.

作者簡介：許宏宇（1988—），男，山西朔州人，中北大學化工與環境學院在讀研究生。