對重型礦用自卸車車斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟強(qiáng)

摘 要：在礦山建設(shè)工作中，其最為常用的運(yùn)輸工具主要是重型礦用自卸車，然而由于該類運(yùn)輸工具，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，及對行駛公路有著嚴(yán)格的要求等因素，其在礦山建設(shè)中暴露的問題也越來越多，其極大的阻礙著礦山建設(shè)領(lǐng)域的健康長遠(yuǎn)發(fā)展。本文將對重型礦用自卸車車斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：重型礦用自卸車；車斗；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.021

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國對各類資源的需求也在急劇的增加，各類型礦山作為我國資源的集中地，近年來其開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目也越來越多，對礦山的開發(fā)建設(shè)工作，也成為了推動我國社會發(fā)展的重要手段。在礦山建設(shè)領(lǐng)域，其最常使用的運(yùn)輸設(shè)備有重型礦用自卸車，其作為一種具有高負(fù)載能力運(yùn)輸工具，在礦山的建設(shè)工作中，有著重要地位。然而由于重型礦用自卸車，其在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，同時(shí)其對行駛公路也有較為苛刻的要求，加之其運(yùn)輸過程中，具有較高的載荷量，因而其車輛在行駛過程中，經(jīng)常會發(fā)生車斗變形，及扭轉(zhuǎn)情況，其會加劇車輛的磨損情況，極大的縮短重型礦用自卸車的使用壽命，甚至?xí)l(fā)安全事故，因此加大對重型礦用自卸車車斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，有著積極意義。

1 重型礦用自卸車車斗模型的建立

在重型曠工自卸車車斗模型的建立過程中，首先要對車斗進(jìn)行簡化，然后再借助Pro/E建立礦用自卸車車斗的幾何模型，最后再通過ANSYS軟件構(gòu)建車斗的有限元模型。具體來說，由于自卸車車斗，其在外形及結(jié)構(gòu)方面，復(fù)雜度較高，加之其孔洞及溝槽也較多，因而在建立模型前，必須先對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕Ｔ趯嚩方Y(jié)構(gòu)簡化后，再使用Pro/E軟件建立建立幾何模型，然而由于Pro/E，與ANSYS軟件之間沒有相應(yīng)的接口，因此再將該模型導(dǎo)入進(jìn)ANSYS軟件前，需要將模型的格式予以轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為通用格式，由此才可以順利的將該格式的模型導(dǎo)入進(jìn)去。再導(dǎo)入幾何模型后，就需要借助ANSYS軟件，構(gòu)建有限元模型了，在構(gòu)建有限元模型時(shí)，其主要步驟有以下幾個(gè)方面：一是合理選用材料，并對其相關(guān)參數(shù)予以明確。由于該軟件下，用戶需要自行輸入材料參數(shù)，并構(gòu)建相應(yīng)的存放空間，同時(shí)為了明確材料特點(diǎn)，還需要對該存放空間進(jìn)行有效的編輯。本研究中，選用的材料為45鋼，其主要參數(shù)如下：密度為7750kg/m3，泊松比達(dá)到0.25；二是合理選取單元類型。該步驟對于有限元模型，其在精度方面，有著很大的決定作用，因此應(yīng)盡可能的選擇那些頂護(hù)板，及兩側(cè)擋板均較厚的單元類型，如Solid45等；三是確定單元尺寸，劃分網(wǎng)格。由于單元尺寸，對車斗在結(jié)構(gòu)簡化及精度方面，有著很大影響，因此應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，同時(shí)借助ANSYS軟件精確計(jì)算其單元尺寸。此外，在選擇單元尺寸時(shí)，盡可能選取那些尺寸相對較大的[1]。

2 重型礦用自卸車車斗力學(xué)特性分析

再完成重型礦用自卸車車斗有限元模型的建立后，就需要借助ANSYS軟件，對其剎車、轉(zhuǎn)向，及舉升和物料沖擊等力學(xué)特性進(jìn)行研究分析了，以保障車斗，其在剛度與強(qiáng)度等方面，能夠滿足礦山運(yùn)輸作業(yè)的需求。其中在對車斗的力學(xué)特性分析時(shí)，最具有研究意義的就是車輛滿載狀況下，其行駛、舉升及裝料沖擊等性能。本研究中，該車斗其等效應(yīng)力達(dá)到55MPa，同時(shí)其加強(qiáng)筋的應(yīng)力值達(dá)到31.5MPa；在車斗滿載舉升方面，其加強(qiáng)筋的應(yīng)力達(dá)到55.3MPa，其車斗等效應(yīng)力達(dá)到123MPa，同時(shí)其車斗變形區(qū)域主要位于頂護(hù)板前端，其變形數(shù)值達(dá)到2.2毫米；在車斗滿載物料沖擊方面，在車斗底板，及物料撞擊區(qū)域，其加強(qiáng)筋的應(yīng)力達(dá)到218MPa，同時(shí)其等效應(yīng)力達(dá)到703MPa。由以上力學(xué)特性可知，該模型下的車斗其在強(qiáng)度及剛度方面，都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效的應(yīng)用到礦山作業(yè)中[2]。

3 重型礦用自卸車車斗模態(tài)與動態(tài)研究

再完成對車斗簡化模型結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析研究后，就要對車斗處于自由狀態(tài)下，其模態(tài)及動態(tài)特性的研究分析了，然后再從理論角度，對其模態(tài)予以驗(yàn)證，以推測車斗在運(yùn)行過程中，其是否會因?yàn)楣舱穸l(fā)動態(tài)破壞。對車斗的模態(tài)進(jìn)行分析，需要從以下幾個(gè)方面著手：一是確定約束條件；二是選取合適的模態(tài)提取方法；三是準(zhǔn)確計(jì)算車斗模態(tài)參數(shù)動向。在對車斗的動態(tài)特性進(jìn)行分析時(shí)，需要從以下幾個(gè)方面著手：一是分析其路面激勵影響；二是發(fā)動機(jī)激振的影響分析；三是對其分析結(jié)果予以理論驗(yàn)證。本研究結(jié)果表明，車斗的2階及3階模態(tài)，其在頻率方面，與路面激振的頻率相類似，因?yàn)闉榱颂嵘嚩返氖褂脡勖岣咂涑休d能力，需要對其結(jié)構(gòu)予以適當(dāng)改變，并增加其車斗模態(tài)頻率。

4 重型礦用自卸車車斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在完成以上三步后，最后就是對重型礦用自卸車車斗的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)了，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，首先要對其模態(tài)的靈敏度，予以有效的分析研究，以獲得其模態(tài)靈敏度的準(zhǔn)確部位，最后為了延長車斗的使用壽命，就需要對其結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)了。本研究采用結(jié)構(gòu)力學(xué)修改方法，對車斗模態(tài)靈敏度進(jìn)行分析，由此獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，及對其敏感的零件部位等，其分析的理論依據(jù)主要是振動方程，本研究結(jié)果顯示，為了有效提升2階和3階彎曲頻率，可通過增加車斗的底板厚度的方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)車斗的兩側(cè)擋板，以及底板也是受外界激振影響最大的區(qū)域。在車斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，首先要對車斗的主要部位，如底板及兩側(cè)擋板等，其厚度的尺寸予以有效優(yōu)化，以提升其2階和3階的彎曲頻率，防止車斗在運(yùn)行過程中，由于路面激振，而引發(fā)共振導(dǎo)致破壞。然后再對車斗的尺寸予以合理優(yōu)化，將其2階彎曲頻率增加到30.5HZ，3階彎曲頻率增加到31.8HZ，以提升其動態(tài)性能，由此不僅車斗的總質(zhì)量得到一定的下降，其車斗各區(qū)域的厚度，也能呈現(xiàn)出合理的分布[3]。

5 結(jié)語

由以上可以看出，重型礦用自卸車車斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對于提升自卸車的工作效率，保障其安全穩(wěn)定的運(yùn)行，有著重要作用，因此加大對重型礦用自卸車車斗的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)研究，有著深遠(yuǎn)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁夏麗，唐華平，譚永青，姜永正，賀翔，梁曉波.重型礦用自卸車車架的模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（12）：1424-1429.

[2]趙宇楠，司景萍，王二毛，萬方軍.基于ANSYS的礦用自卸車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2014（03）：18-21.

[3]譚永青，唐華平，呂斌，黃小青，李平，申愛玲.某重型礦用自卸車駕駛室的模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2014，（05）：751-753.

青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：QDGW2014Z07