礦用自卸車后門抗沖擊性能分析

中圖分類號：U469.4 收稿日期：2025-06-12 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.08.017

Analysis On IMPACT RESISTANCE of Rear Door of Mining Dump Truck

Li huilWu Lina2，3Qi jianghual 1.Hunan Valin Lianyuan Iron and Steel Co.，Ltd.，Loudi 417oo9，China 2.CATARC Automotive Test Center（Wuhan）Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China 3.China Automotive Technology and Research Center Co.，Ltd.，Tianjin 30o30o，China

Abstract：Aimingat he problem ofcracking of therear doorofmining dumptruck，a simulationanalysis method ofrear door impactresstanceisproposed.Firstly，emathematicalmodelsofokfallimpactandeardorslappingareestablishd，ndtepact characteristicsofthereardoorunderthetwoworkingconditionswereanalyzed.Secondlythefiniteelementmodeloftheimpactresistanceofthebackdooundertypicalworkingconditions isestablished，andthestressdistributionandplasticdeformationof erar doorunderthetwotypicalworkingconditionsareanalyzed，andtheanalysismethodisverifiedfromtheperspectiveofenergyonser vation.Theanalysisresultsshowthat themaximumstressofthematerialundertheconditionsofrockfallimpactandrardoorclapexcedsthetensilestrengthofthematerialutthplasticstraindosnotexcdeelongationoftematerialthestructureisinthe stage of plastic deformation and necking，and there is a risk of fracture.

Key words：Mining dump trucks;Rear door; Impact resistance;Rockfallimpact;Backdoor banging

1前言

在礦區(qū)開采及礦物運輸過程中，礦用自卸車以其高效的運輸能力、強大的裝載能力等優(yōu)點，在大型露天煤礦的采礦作業(yè)場景中被廣泛應(yīng)用[1]。礦用自卸車的貨物裝卸方式比較粗犯，運輸介質(zhì)多以原礦、土石方等顆粒較大的石塊為主，石塊直徑甚至?xí)?1m 左右。在卸料工況下車箱后門會受到劇烈的沖擊作用，一方面，在舉升卸料過程中車箱后門會受到礦石下落的撞擊；另一方面，反復(fù)舉升卸貨，后門不斷拍打車廂尾部，受到車箱下落以及慣性沖擊的雙重作用。因此，為保證礦用自卸車后門具備良好的動態(tài)沖擊性能，確保車箱結(jié)構(gòu)安全可靠，本文基于礦用自卸車卸料工況，以礦用自卸車卸料過程中后門所受到的沖擊作用為研究對象，圍繞落石沖擊和后門拍打工況對礦用自卸車后門展開抗沖擊性能分析。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對礦用自卸車開展了一系列研究。在車箱輕量化以及優(yōu)化分析方面，楊國彪針對礦用自卸車廂斗設(shè)計過程中存在的一系列問題，基于離散元仿真技術(shù)、仿生設(shè)計等方法，對箱斗的斗體和筋板布局進行優(yōu)化；鄭全等[3模擬不同路況及裝載情況下的車箱受力情況，并根據(jù)分析結(jié)果從鋼板材質(zhì)和車廂結(jié)構(gòu)方面對車箱進行優(yōu)化；朱鋮棟4基于有限元分析軟件實現(xiàn)了貨箱的性能分析、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計以及疲勞壽命選優(yōu)；李中凱等[5]基于滿載勻速行駛和舉升卸貨兩種工況，建立參數(shù)化模型并提出一種礦卡貨箱的二工況綜合輕量化設(shè)計方法，并對設(shè)計方法進行了驗證；張少健[6]對重型礦用自卸車貨箱輕量化后結(jié)構(gòu)開展多學(xué)科多場耦合分析，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果展開針對性優(yōu)化。在車箱沖擊分析方面，金華明等7分析了沖擊載荷對支撐系統(tǒng)的影響，得出了支撐系統(tǒng)對礦石沖擊載荷沒有緩沖作用的結(jié)論；張士營等8利用顯式動態(tài)有限元法，求解不同礦石質(zhì)量從不同高度下落對車箱底板的沖擊響應(yīng)，并獲得了車箱底板應(yīng)力、礦石質(zhì)量及下落高度的耦合關(guān)系和重要數(shù)據(jù)。

綜合分析現(xiàn)有研究文獻，輕量化分析方面的研究多基于參數(shù)化設(shè)計模型，采用響應(yīng)面法、徑向基法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進行尺寸或拓?fù)鋬?yōu)化分析；車箱沖擊方面的研究聚焦于礦石對車箱底板的撞擊，研究車箱底板的抗砸性能。然而現(xiàn)有研究中對車箱后門的抗沖擊性能研究比較少。本文針對礦用自卸車后門在使用過程中容易出現(xiàn)焊縫開裂問題，基于卸料工況分析模型，提取落石沖擊后門和后門拍打兩個對后門產(chǎn)生劇烈沖擊的典型工況進行研究，采用顯式動力學(xué)分析手段，對車箱后門結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能展開研究。

2后門抗沖擊性能分析

2.1加載工況分析

后門所受到的沖擊載荷主要來源于卸載過程，在后門未開啟時，車箱舉升導(dǎo)致落石沿底板滑落沖擊后門；后門開啟后，車箱反復(fù)舉升卸料，在車箱下降過程中，車廂回轉(zhuǎn)同時后門自重下落進而后門拍打車箱尾部產(chǎn)生沖擊。因此，本文選取落石沖擊和后門拍打兩個典型工況對后門抗沖擊性能進行分析。

2.1.1落石沖擊工況分析

在落石沖擊分析過程中，將材料視為理想的彈塑性體，并忽略空氣阻力對落石下落和碰撞過程中熱能轉(zhuǎn)化的影響，系統(tǒng)應(yīng)遵守能量和動量守恒定律。本工況分析設(shè)定落石直徑為 500mm ，密度為 2500kg/m³ ，車箱舉升θ=45^° 時，石塊沿底板從前端 L=6.4m 落下，其中石塊和貨箱的滾動摩擦因素 μ 設(shè)置為0.012。落石沖擊計算模型如圖1所示。

圖1落石沖擊計算模型

根據(jù)圖1，落石滾落撞擊后門時的相關(guān)公式如下：

f=μmgcosθ

H=Lgsinθ

式中， m 為落石質(zhì)量； H 為落石滾下的垂直落差高度； v 為落石滾下撞擊后門時的初速度 ;f 為落石所受到的摩擦力； L 為落石沿車箱底板滾動的距離； g 為重力加速度，取 9.8m/s²;θ 為車箱舉升的角度。

2.1.2后門拍打工況分析

模擬后門拍打工況，選取后門從與車箱縱向水平方向平行開始落下拍打車廂尾部，后門拍打計算模型如圖2所示。

圖2后門拍打沖擊計算模型

按以下兩式可計算后門拍打車廂時的角速度：

式中， m_h 為后門重量； Δh 為后門中心高度； ω 為后門旋轉(zhuǎn)角速度。

2.2后門抗沖擊分析有限元模型

本文著重分析后門的抗沖擊性能，為減少計算量，提升計算效率，基于兩種工況的分析特點選取車箱尾部模型分別建立有限元模型。模型中結(jié)構(gòu)的材料屬性如表1所示。

表1材料屬性

2.2.1落石沖擊分析模型

落石沖擊分析模擬當(dāng)車箱舉升45時，直徑 500mm 的球形石塊從車箱前部滾落沖擊后門，分析中約束如表2所示[10]

表2模型約束

根據(jù)模型邊界約束條件，搭建礦用自卸車落石沖擊后門工況有限元分析模型，如圖3所示。

圖3落石沖擊有限元模型

2.2.2后門拍打分析模型

在后門拍打過程中，后門繞定點轉(zhuǎn)動，其各位置旋轉(zhuǎn)角速度不發(fā)生改變，因此，為降低分析時間，以后門接觸車箱尾部作為模擬分析的開始，將計算得到的角速度施加在后門中心位置，同時約束后翻轉(zhuǎn)支座軸心位置所有方向自由度，建立后門拍打工況有限元分析模型，如圖4所示。

圖4后門拍打有限元模型

2.3抗沖擊分析

2.3.1落石沖擊分析結(jié)果

落石沖擊后門工況下應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位于后門大板上，最大等效應(yīng)力為 1273.6MPa ，超過后門大板材料（NM400）的抗拉強度 1 200MPa ，結(jié)構(gòu)存在一定風(fēng)險；后門骨架最大應(yīng)力值為 611.1MPa ，同樣超過骨架材料（Q355B）的抗拉強度 470MPa 。因此后門結(jié)構(gòu)模型存在斷裂風(fēng)險。

分析模型受載后塑性變形情況，如圖6所示。落石沖擊過程中最大塑性應(yīng)變位于后門中部骨架處，值為0.2，未超過骨架材料（Q355B）的延伸率，說明在撞擊過程中撞擊位置骨架仍處于塑性變形階段，未發(fā)生斷裂[]。

圖6落石沖擊塑性應(yīng)變結(jié)果

在落石沖擊過程中，系統(tǒng)總能量應(yīng)保持守恒。在碰撞剛開始時，系統(tǒng)的總能量為落石的動能；隨著碰撞時間的增加，動能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能；在碰撞過程中，系統(tǒng)的總能量基本保持不變。仿真結(jié)果中各能量曲線如圖7所示。各曲線的變化符合能量定律，其中沙漏能的最大值占總能量的 0.015% ，未超過 5% ，證明本次仿真結(jié)果有效[12]。

圖7落石沖擊各能量曲線

2.3.2后門拍打分析結(jié)果

后門拍打工況應(yīng)力結(jié)果如圖8所示。最大應(yīng)力位于后門大板上，最大等效應(yīng)力為 1 047.7MPa ，未超過后門大板材料（NM400）的抗拉強度 1200MPa ；后門骨架最大應(yīng)力值為 525.4MPa ，超過材料（Q355B）的抗拉強度 470MPa ，存在斷裂風(fēng)險[13]。

后門塑性應(yīng)變結(jié)果如圖9所示。后門整體最大塑性應(yīng)變值為0.13，位于后門骨架中部，未超過骨架材料（Q355B）的延伸率0.25，該位置處于塑性變形階段，并未發(fā)生斷裂[14]。

圖9后門拍打塑性應(yīng)變結(jié)果

后門拍打過程中各能量曲線如圖10所示。各曲線的變化符合能量守恒定律，其中沙漏能的最大值占總能量的 0.020% ，未超過 5% ，證明本次仿真結(jié)果有效。

選取后門底部骨架中心節(jié)點（節(jié)點編號為21891）。查看該節(jié)點沿拍打方向即 Y 方向的速度變化情況，如圖11所示。從圖中可以看出，該位置速度在撞擊過程中不斷變化，在仿真時間結(jié)束時近似為0，證明本次仿真過程基本詮釋了后門拍打的整個運動過程。

圖10后門拍打各能量曲線

圖11Node21891-Y-速度曲線

3結(jié)語

本文采用顯示動力學(xué)分析方法，圍繞礦用自卸車卸料工況，選取落石沖擊和后門拍打兩個典型過程研究后門抗沖擊性能。主要研究結(jié)論如下：

a.在落石沖擊與后門拍打工況下，后門骨架最大應(yīng)力超過骨架材料（Q355B）的抗拉強度 470MPa ，但模型受載后的最大塑性應(yīng)變未超過骨架材料（Q355B）的延伸率，說明在撞擊過程中撞擊位置骨架處于塑性變形縮頸階段，并未發(fā)生斷裂。

b.落石沖擊與后門拍打工況仿真結(jié)果中各能量變化符合能量守恒定律，證明兩個典型工況下仿真分析結(jié)果有效。

c.本文所提出的礦用自卸車后門抗沖擊仿真分析方法能夠有效地詮釋在卸料工況下后門所受到的沖擊作用，為研究后門開裂問題提供了依據(jù)與參考。

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作者簡介：

李會，男，1977年生，高級工程師，研究方向為超高強鋼的產(chǎn)品研發(fā)、零件的合理選材與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化解決方案提供與應(yīng)用推廣等。