礦用無軌車正弦路面激勵仿真研究

伍生宏， 饒俊良,2,3

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇常州 213023；2.南昌礦山機械研究所，南昌 330013；3.江西機電職業技術學院，南昌 330013）

0 引言

礦用工程車主要用于現代化煤礦無軌輔助運輸，具有結構緊湊、運輸效率高等特點。礦井道路與路面道路不同，井下工況惡劣，道路經常坑洼不平、顛簸起伏，在這樣的道路工況條件下，礦用工程車在結構設計上與路面車輛有較大不同，主要是要求在礦井道路上滿載運輸具有一定的可靠性和安全性，也要有一定的結構壽命。在實際車輛使用中，一些受力較大的車架部位容易發生應力集中導致結構產生變形、撕裂等損壞，所以需要在設計階段通過虛擬樣機仿真分析出各連接部位的受力情況。

1 建模理論

礦用工程車作為一種車輛，既包含車架、各種箱體等剛性體，又包含輪胎、板換、減震墊等柔性體。傳統的剛性體一體式建模不能滿足這種復雜多體的仿真，需要建立剛柔耦合的多體系統虛擬樣機動力學模型來進行仿真分析。

多剛體系統是由多個剛性體連接組成的，各個組合剛體之間具有一定的約束和連接關系，各組合剛體可以在受力時產生相對運動。多柔性體系統可以采用離散法和有限元法等對柔性體進行分析，根據柔性體的不同，可能得到不同的動力學方程。將它們結合起來，即可組成一個剛柔耦合的多體系統。ADAMS軟件所導出的機械系統的動力學方程如下所示：

式中：T為系統的動能；Q為廣義力列陣；q為系統的廣義坐標列陣；μ為對應于非完整約束的拉氏乘子列陣；ρ為對應于完整約束的拉氏乘子列陣。

2 路面激勵仿真

根據煤礦道路情況的特點，選用最為接近的正弦起伏顛簸路來進行行駛路面激勵仿真。定義正弦路面波長為300 mm，幅度為20 mm。在仿真設置中，車輛行駛定義為：停車起步，再加速到二擋18 km/h。車輛行駛的驅動方式設置為4個車輛的轉動驅動，仿真時間為6 s，仿真步長為150。驅動馬達的驅動方程為

選取車輛10個主要的結構連接部位：燃油箱、廢氣處理箱、補水箱、散熱器、柴油機及變矩器、變速箱、人及座椅、液壓油箱、氣包、車廂及貨物為動態受力的數據采集點，具體質量參數見表1。

礦用工程車虛擬樣機在正弦路面激勵下的仿真建模如圖1所示。

圖1 正弦路面虛擬樣機仿真圖

3 仿真結果及分析

仿真之后，得到10個部件與車架動態受力的變化曲線，見圖2～圖11所示。

從曲線圖可以看出滿載時正弦路面激勵下各部件給車架的載荷是呈波形動態變化的，根據路面給于激勵的不同而不同，這也和車輛實際行駛在坑洼路面的顛簸相符。各部件的動態載荷峰值仿真結果見表1。

圖2 燃油箱與車架作用力曲線圖

圖3 廢氣箱與車架作用力曲線圖

圖4 補水箱與車架作用力曲線圖

圖5 散熱器與車架作用力曲線圖

圖6 柴油機及變矩器與車架作用力曲線圖

圖7 變速箱與車架作用力曲線圖

圖8 駕駛員及座椅與車架作用力曲線圖

圖9 液壓油箱與車架作用力曲線圖

圖10 氣包與車架作用力曲線圖

圖11 車廂及貨物與車架作用力曲線圖

表1 各連接部件的質量與仿真結果

從仿真結果可知，安裝在前車架上的燃油箱、廢氣處理箱體、散熱器、人及座椅載荷倍數較大，大約為2.5左右。這些部件與車架的連接屬于剛性連接，而且它們在車輛中的安裝位置受前后車架鋼板彈簧及輪胎減震的影響較小，在路面顛簸激勵下，連接處動態載荷倍數較大。

安裝在前輪上部車架位置的補水箱、安裝在前橋兩前輪之間的柴油機及變矩器載荷倍數較小，為1.4。它們在車輛中的位置位于減震效果較好的鋼板彈簧及輪胎正上正中部，能借助這些柔性體的減震減少動態載荷。

安裝在車輛中部的變速箱、氣包，安裝在后車架上的車廂及貨物載荷倍數約為2左右。這些部件主要居于車輛中部，減震效果尚好。

從仿真結果整體上看，可以認為礦用無軌車在正弦路面激勵下的動態受力最大值為靜態受力的3倍。實際車輛裝配工藝中，可以考慮與車架剛性連接部位增加橡膠墊，同時，需根據載荷倍數結果適當增加車架連接處的結構強度，保證車輛滿載行駛時車架的可靠性。

4 結語

根據礦用無軌車的實際工況，建立了基于正弦路面激勵的礦用無軌車虛擬樣機剛柔耦合多體動態仿真模型，通過動態仿真，得到車架承載處的動態載荷變化，分析了各部件在正弦路面激勵下對車架結構的力學影響，為車輛整體布局、車架可靠性及車架結構優化設計提供了理論依據。

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