某礦用防爆無軌膠輪車邊梁式車架強度分析與結構改進

范江鵬

1中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機裝備有限公司 山西太原 030006

3煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室 山西太原 030006

礦 用防爆無軌膠輪車承擔著煤礦井下運人、運料的核心任務，由于其出色的動力性和機動性，受到越來越多煤礦用戶的青睞[1-5]。邊梁式車架作為防爆無軌膠輪車的關鍵受力部件，不僅承擔著防爆柴油機、乘員和貨物的載荷，行駛過程中還受到來自巷道路面的沖擊載荷[6-8]，因此防爆無軌膠輪車車架的強度和剛度對車輛發揮正常功能以及行駛性能有著重要作用。

根據應用礦井形貌的不同，礦用防爆無軌膠輪車整車尺寸、結構布置以及車身姿態角等需要重新設計，造成邊梁式車架的定制化程度很高。由于同類產品批量較小，若開發異形邊梁式車架，經濟性較差，因此目前通常采用“主梁+副梁”的形式取代異形梁的模式。以東部某煤礦需求的一款 5 t 的四輪驅動自卸車為例，該車型采用了“主梁+副梁”形式的邊梁式車架。相較常規車架，該車架最主要的變化在于，后鋼板彈簧安裝座的安裝孔中有 2 個孔位于主梁上，2 個孔位于副梁上，主梁和副梁的組合強度有待驗證。為充分驗證“主梁+副梁”形式的邊梁式車架的結構強度，縮短開發周期，采用有限元分析方法對這種形式的邊梁式車架在幾種常用工況下進行力學分析，為此后車架的結構設計提供依據。

1 邊梁式車架有限元模型

1.1 邊梁式車架模型的建立

根據設計需求建立“主梁+副梁”形式的邊梁式車架數模。主梁通體采用 8 mm+5 mm 的雙層梁結構，副梁鉚接于主梁尾端的下方，以滿足整車的布置需求。考慮到副車架的結構強度，將左右兩側副車架利用圓管進行加固。車架左右縱梁采用 510L 汽車大梁用熱軋鋼板，各橫梁、圓管采用 Q345 低合金鋼，如圖 1 所示。各材料的力學性能如表 1 所列。

表1 邊梁式車架材料力學性能Tab.1 Mechanical properties of material of side-beam type frame

圖1 邊梁式車架模型Fig.1 Model of side-beam type frame

1.2 模型邊界條件的設置

針對不同工況，對車架上的前后車輪處鋼板彈簧安裝孔進行不同的約束處理。車架受到重物、駕駛室、防爆柴油機、變速箱、氣包、補水箱、廢氣處理箱等部件的重力，以集中載荷方式施加于相應位置。車架受力分析如圖 2 所示，各車輪處鋼板彈簧安裝孔在各工況下的約束條件如表 2 所列。

表2 各工況下各車輪鋼板彈簧安裝孔約束條件Tab.2 Restraint conditions at assembly hole for spring of steel plate of each wheel in various operation modes

圖2 車架受力分析Fig.2 Stress analysis on frame

2 邊梁式車架強度分析

由于井下工況條件復雜，巷道路面不平整，受到光線等因素的影響，駕駛員遇到突發情況較為頻繁，因此，除了對車架在彎曲工況、彎曲和扭轉組合工況下進行分析外，還對車架在緊急制動工況下進行分析。

2.1 彎曲工況

彎曲工況是指車輛在水平路面上靜止或勻速行駛。此工況下，將 4 個車輪處的鋼板彈簧安裝孔進行全部約束。考慮到實際使用工況，取動載荷系數為 3，即施加各項載荷時均按照實際重力的 3 倍進行加載。彎曲工況下車架的分析結果如圖 3 所示。由圖 3 可知，車架最大受力約為 102 MPa，變形較大處在車架中間位置，最大變形約為 1.06 mm，車架強度和剛度滿足使用需求。

圖3 彎曲工況下車架分析結果Fig.3 Analysis results of frame in bending operation mode

2.2 彎曲和扭轉組合工況

彎曲和扭轉組合工況 (簡稱彎扭工況) 是指車輛在不平路面上 2 個或 3 個車輪著地行駛。彎扭工況具體分為 2 種：①左前輪和右后輪對應的鋼板彈簧安裝孔全部約束；② 除左后輪對應的鋼板彈簧安裝孔不約束外，其余 3 個車輪對應的鋼板彈簧安裝孔全部約束。考慮到實際使用工況，取動載荷系數為 3，2 種彎扭工況下車架的分析結果分別如圖 4、5 所示。由圖 4 可知，兩輪著地工況下，車架最大受力約為 329 MPa，發生在發動機的安裝固定座處，最大變形約為 2.42 mm，該工況下車架的最大受力已接近材料允許的使用極限；由圖 5 可知，三輪著地工況下，車架最大受力約為 285 MPa，發生在車架后鋼板彈簧安裝孔處，最大變形約為 2.35 mm，車架強度和變形均在材料的合理使用范圍內。

圖4 兩輪著地彎扭工況下車架分析結果Fig.4 Analysis results of frame in bending and torsion operation mode with two wheels contacting road surface

圖5 三輪著地彎扭工況下車架分析結果Fig.5 Analysis results of frame in bending and torsion operation mode with three wheels contacting road surface

2.3 緊急制動工況

緊急制動工況是指在車輛制動瞬間。根據 MT/T 989—2006 設計要求及預留設計余量得出，防爆無軌膠輪車在緊急制動情況下的加速度為 4.5 m/s2。此工況下，車輛 4 個車輪對應的鋼板彈簧安裝孔全部約束，動載荷系數取 1.5。緊急制動工況下車架的分析結果如圖 6 所示。由圖 6 可知，在車架前部 1/3 處應力值最大，約為 72 MPa，最大變形約為 0.81 mm，該工況下車架強度和變形均在允許范圍內。

圖6 緊急制動工況下車架分析結果Fig.6 Analysis results of frame in emergency braking operation mode

3 車架分析改進

通過對車架在上述工況下的結構強度進行分析，得到各工況下車架的安全系數，如表 3 所列。在改進前的各工況下，車架的變形均在 5 mm 以內，符合車架的設計要求[9-11]；而對于車架的強度，在大部分工況下的安全系數均滿足使用需求，其結構被認定是安全的，但是在彎曲和扭轉組合工況下，其安全系數較低，均小于 1.3，薄弱環節是在車架前部 1/3 處。為了提高車架結構強度，在車架前部 1/3 處增加長度為 800 mm、厚度為 5 mm 的槽形加固墊板，并將發動機左右支撐座的橫拉管直徑由 25 mm 增加為 30 mm。經分析，兩輪著地工況下應力減小為 258 MPa，安全系數為 1.38；三輪著地工況下應力減小為 216 MPa，安全系數達到 1.64，均在材料允許范圍內。改進后各工況下的車架安全系數如表 3 所列。

表3 改進前后各工況下車架應力和安全系數Tab.3 Stress and safety coefficient of frame in various operation modes before and after improvement

考慮到各工況下的動載荷系數，車輛實際的載荷下的安全系數為：彎曲工況 10.14；彎曲和扭轉工況的兩輪著地工況 4.14，三輪著地工況 4.92；制動工況 7.71。綜上，“主梁+副梁”形式的邊梁式車架的結構強度滿足各工況的使用需求。

4 結語

為了滿足煤礦用戶對防爆無軌膠輪車的使用需求，設計開發了“主梁+副梁”形式的邊梁式車架，利用三維及有限元分析技術對邊梁式車架進行分析改進。在彎曲和制動工況下，車架的應力和變形均在材料的合理使用范圍內，但在彎曲和扭轉組合工況下，安全余量較小。改進后的車架在各工況下的安全系數均有所提升，可有效提高防爆無軌車輛車架的結構強度，延長車輛使用壽命。

改進后的邊梁式車架在煤礦使用一年后，未出現損壞以及明顯的變形，證明“主梁+副梁”形式的邊梁式車架的結構強度滿足設計及使用需求，為后續同類型車架的設計提供了參考。