15t地下運礦車車架設計及有限元分析

肖長+彭亞雄

摘要：以15t運礦車車架為研究對象，應用三維軟件Pro/E建立前后車架實體模型，在確定載荷的簡化和施加方法后，利用有限元分析研究前后車架的應力和變形情況，確定了前后車架的最大應力值。

關鍵詞：地下運礦車；車架；有限元分析

15t地下運礦車的行走系統由車架、驅動橋、車胎與輪轂等組成。由于運礦車在松軟或碎石場地等惡劣環境下行駛及重負荷下作業，因此要求行走系統各部件要有很高的強度與剛度。車架作為安裝基體將動力系統、傳動系統、行走系統、電控、液壓、潤滑系統等組裝成一個有機整體，同時還承受運礦車各總成的質量及各種靜、動載荷。因此車架的強度和剛度在車輛總體設計中顯得至關重要，深入了解車架的強度和剛度是車架結構設計改進的基礎。對前后車架進行有限元分析的結果可作為車架結構優化設計參考。

一、15t運礦車車架設計

一）車架設計要求

15t運礦車車架是由一定厚度、焊接性能好的高強度低合金鋼板（Q345）焊接而成。要求嚴格按工藝進行焊接，保證焊縫表面平整，且有足夠高度，用X射線探傷檢查不允許有氣孔或夾渣，盡量由壓機成型彎曲鋼板，要退火或振動消除應力，加工時要保證加工件精度及位置精度等。

車架的前、后車架通過中間鉸接架相連，可圍繞中央銷軸在水平面內作±40°轉動，從而減少地下運礦車的轉彎半徑；鉸接式車架，軸距尺寸加大，對整機的穩定性有所提高；上下兩鉸接點距離加大，以改善受力狀態；同時能在垂直平面內擺轉±10°，確保行駛過程中能全輪著地，增強穩定性，加大牽引力，適應惡劣路況。

二）車架三維模型的建立

1、前車架三維模型

前車架有前橋部件與后車架連接的鉸接和轉向油缸鉸接，其上安裝有柴油發動機、雙變器（液力變矩器和動力換擋變速箱）、液壓油箱、凈化水箱及駕駛室（如圖2）。

2、后車架三維模型

后車架為框式箱形結構，車斗安放在其上，有與前車架連接的鉸接和轉向油缸鉸接，中間安置有舉升油缸的鉸接（如圖3）。

二、有限元分析

結構靜力分析是用來計算在固定不變的載荷作用下結構的響應，即由于穩態外載引起的系統或部件的位移、應力、應變和力。同時，結構靜力分析還可以計算那些固定不變的慣性載荷以及那些可以近似等價為靜力作用的隨時間變化的載荷對結構的影響。在本文分析中，外載荷為穩態載荷。

一）有限元分析基本步驟

1、利用Pro/E建立有限元模型，借助有限元分析模塊進行有限元分析；2、施加載荷和邊界條件進行求解；3、結果評價和分析。

二）前車架有限元分析

前車架主要載荷考慮：車架自重按均布載荷在其支架上進行平均分配，發動機（康明斯）與雙變器重量按其懸置的位置進行分配，并按照集中載荷方式處理。油箱等按照其位置進行分配，并按照集中載荷方式處理。并按照集中載荷方式處理。借助Pro/E中進行有限元分析得知：最大應力為σmax=133MPa；前車架的材料為Q345，σs=325MPa；分析結果滿足要求。

（三）后車架有限元分析

經分析，滿載的運礦車從水平位置開始傾翻時機架受力最大，借助Pro/E對該工況狀況進行有限元分析。

1、網格劃分

通過網格劃分后，共計單元數目12125個，節點個數3998個。

2、設置約束、加載載荷并計算結果

在前后車架的鉸接位置及與驅動橋的連接處、車斗與車架的鉸接位置、油缸與車架的鉸接位置處加上載荷，滿載時，物料重量及車斗自重共計19.724t。

油缸支承處和車斗與車架的鉸接處力的計算：根據鉸接點之間的位置關系及重心位置畫出受力示意圖（圖4），把液壓油缸等同于二力桿來確定F2的方向；在Pro/E模型中可確定物料和車斗的重心點位置，故能確定總重力G的方向。依據三力平衡匯交定理可確定F1方向，而后計算得出油缸支承處的力F1=33.4t，車斗與車架的鉸接處力F2=30.69t。

加載完成后運行計算結果，結果分析：

油缸支承和車斗鉸支座選用20Mn2材料，強度σs≥133MPa，其余材料為Q345，σs≥325MPa；最大應力與最大應變均在油缸支承處，其中最大應力為480Mpa，最大應變為7.52e-5mm，均滿足設計要求。其中因為軟件網格劃分問題，得到的應力和應變值均偏大，應力應變云圖如圖6、7所示。

三、結束語

通過對前后車架的有限元分析，確定了前后車架處于作業過程中的最大應力位置以及后車架的變形量，結果表明設計的前后車架均滿足強度和剛度要求。

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