董志明，丁浩然，潘艷君，李顯武

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電動輪礦用自卸車是礦用自卸車的一種，它是由發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，再通過控制系統(tǒng)和高壓電纜驅(qū)動安裝在后橋的電動機旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)整車的前進、后退、差速等工況。由于電傳動系統(tǒng)沒有變速器、傳動軸、主減速器、差速器和半軸等零部件，使整車結(jié)構(gòu)大大簡化，提高了傳動效率和工作的可靠性。目前國內(nèi)年產(chǎn)1 000萬噸以上的露天礦山都將200 t級以上的大噸位電動輪礦用自卸車作為首選運輸工具。

大型電動輪礦用自卸車的整備質(zhì)量和滿載質(zhì)量都很大，以載重量為240 t的電動輪礦用自卸車為例，它的滿載最大質(zhì)量達到400 t。后橋做為驅(qū)動橋，它與整車之間的作用力(驅(qū)動力、制動力等)最終都要通過關(guān)節(jié)軸承傳遞，所以關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈與外圈之間傳遞的作用力很大，接觸表面間有很大的接觸應(yīng)力。精確掌握兩者之間的接觸應(yīng)力以及由于內(nèi)、外圈之間的滑動造成的摩擦應(yīng)力，對于關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計、材料選用、熱處理方法的確定有著很大的指導(dǎo)意義[1]。文中以某型號電動輪礦用自卸車為例，對其驅(qū)動橋與車架之間的作用力進行分析研究，并對整車在前進工況下驅(qū)動橋與車架之間的關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈之間的接觸應(yīng)力進行有限元分析。

1 關(guān)節(jié)軸承受力分析

礦用自卸車大部分采用4×2后輪驅(qū)動的形式，后懸架采用單縱臂式懸架結(jié)構(gòu)?？v臂與后橋殼可以采取整體式或分體式結(jié)構(gòu)，分體式結(jié)構(gòu)中縱臂與后橋殼通過螺栓固連或直接焊接在一起；縱臂的前端通過關(guān)節(jié)軸承與車架橫梁鉸接在一起，其作用是導(dǎo)向并約束后橋在整車縱向平面的運動；后橋的橫向運動通過安裝在車架和后橋殼之間的橫拉桿進行導(dǎo)向和約束，結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

1—車架；2—后懸缸；3—驅(qū)動橋；4—車架橫梁

由車架、后懸缸、驅(qū)動橋構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)組成了電動輪礦用自卸車的后懸架總成。圖中A，B，C分別為上述3者的鉸接點。3個鉸接點都采用關(guān)節(jié)軸承連接，因為鉸接驅(qū)動橋與車架橫梁的關(guān)節(jié)軸承在整車的運行過程中承受的作用力最大，所以其公稱直徑最大(600 mm)。整車在運行過程中要經(jīng)歷前進、加速、制動及倒車等工況，各種工況下關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈之間作用力的大小和方向不同。

鉸接驅(qū)動橋與車架橫梁的關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈焊接在車架橫梁上，與外圈鉸接在一起，內(nèi)、外圈的接觸面為球形，屬于高副機構(gòu)。以關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈為研究對像，整車處于靜止?fàn)顟B(tài)時的受力簡圖如圖1所示，F(xiàn)1為整車及物料通過外圈對內(nèi)圈的作用力，方向沿AC的連線；F2為驅(qū)動橋通過外圈對內(nèi)圈的作用力，方向沿AB連線；F3為F1和F2作用下產(chǎn)生的反作用力。

在前進工況下，驅(qū)動橋產(chǎn)生的驅(qū)動力推動整車向前行駛，軸承內(nèi)、外圈的接觸區(qū)域在圖2所示的區(qū)域內(nèi)；在加速工況下，軸承內(nèi)、外圈之間的作用力方式基本與前進工況相同，只不過在計算時需要額外考慮由于加速度產(chǎn)生的作用力；在倒車工況下，驅(qū)動橋產(chǎn)生的方向向后的驅(qū)動力拉動整車向后行駛，軸承內(nèi)、外圈的接觸區(qū)域在圖3所示的區(qū)域內(nèi)；在制動工況下，軸承內(nèi)、外圈之間的作用力方式基本與倒車工況相同，只不過在計算時需要額外考慮由于制動加速度產(chǎn)生的作用力。

圖2 前進時關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈之間的接觸

圖3 倒車時關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈之間的接觸

從理論上講，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈之間為面面接觸，但實際上由于目前制造技術(shù)上的限制，內(nèi)、外圈之間接觸的兩個球形面的直徑并不相等，造成關(guān)節(jié)軸承受力以后首先在接觸表面之間發(fā)生點接觸，隨著二者之間的作用力逐漸增加，內(nèi)、外圈之間局部產(chǎn)生彈性變形，進而變?yōu)榍娼佑|，接觸應(yīng)力很高。而在接觸區(qū)以外的區(qū)域，內(nèi)、外圈之間的配合面屬于分離狀態(tài)[3]。另外由于整車行駛路面的不平，造成后懸缸不斷的伸縮和驅(qū)動橋的擺動，與驅(qū)動橋固連的外圈與車架橫梁固定在一起的內(nèi)圈間會產(chǎn)生一定的擺動，這樣在內(nèi)、外圈的接觸區(qū)域會產(chǎn)生摩擦應(yīng)力。

2 有限元分析

2.1 模型選取

從以上分析可知，由于關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈焊接在車架橫梁上不能轉(zhuǎn)動，在任何工況下，接觸應(yīng)力最高的區(qū)域都在圖2和圖3所描述的區(qū)域內(nèi)，所以在對軸承有限元分析時，只需取模型的1/2即可。

2.2 單元的選擇

關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)圈和外圈都采用軸承鋼制造，內(nèi)、外圈配合面之間的接觸屬于面對面的柔-柔接觸。劃分網(wǎng)格時采用SOLID186單元，接觸面之間采用CONTA174和TARGE170單元。CONTA174和TARGE170單元屬于面-面接觸單元，具有以下特點：可以模擬任意形狀的兩個表面接觸；不必事先知道接觸的準(zhǔn)確位置；兩個面可以具有不同的網(wǎng)格；支持大的相對滑動；支持大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動[4]。分析的有限元模型如圖4所示。

圖4 關(guān)節(jié)軸承的有限元模型

2.3 接觸剛度的確定

接觸(法向)剛度用來保證接觸界面的協(xié)調(diào)性，它的大小設(shè)置影響著求解精度和收斂速度。接觸剛度類似于在接觸面和目標(biāo)面之間的一個彈簧，接觸剛度越小，接觸面之間的穿透量越大，求解精度越低；接觸剛度越大，接觸面之間的穿透量越小，求解精度越高，但是太大的接觸剛度會使模型產(chǎn)生振蕩，使接觸表面互相跳開，導(dǎo)致求解發(fā)散[5]。

接觸單元除了在接觸表面間傳遞法向壓力外，還傳遞切向力(摩擦)，采用切向罰剛度保證切向的協(xié)調(diào)性。切向剛度數(shù)值的大小同接觸剛度一樣，同樣影響著求解的精度和速度，切向剛度的初值一般取為接觸剛度的0.1倍，即Ktangent=0.01Knormal。

礦用自卸車關(guān)節(jié)軸承接觸屬于實體接觸，由于其結(jié)構(gòu)簡單，可劃分出密度比較均勻、形狀比較規(guī)則的單元，在求解時比較容易收斂，所以選擇接觸剛度為10；另外根據(jù)上述公式Ktangent=0.01Knormal，取切向剛度為0.1。

2.4 接觸面和目標(biāo)面的確定

如果只是要大致確定接觸面和目標(biāo)面的應(yīng)力分布、接觸區(qū)域等，可以采用對稱接觸，但是對稱接觸求解出的接觸應(yīng)力是接觸面和目標(biāo)面的平均值，與實際有一定的誤差。采用非對稱接觸可以準(zhǔn)確求解出接觸面接觸應(yīng)力的真實值，但目標(biāo)面的結(jié)果為0，所以為了求得兩個配合面上的接觸應(yīng)力，必須將接觸面和目標(biāo)面互換，再次求解。在對關(guān)節(jié)軸承的分析中，采用非對稱接觸，進行兩次求解[6]。

2.5 分析結(jié)果

整個有限元模型共有實體SOLID186單元20 820個，接觸單元CONTA174和目標(biāo)單元TARGE170均為1 876個。約束關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈的所有自由度，在軸承外圈的外表面上加載整車前進時驅(qū)動橋產(chǎn)生的驅(qū)動力。為了對比軸承在有潤滑(摩擦因數(shù)取0.10)和無潤滑(摩擦因數(shù)取0.15)的條件下軸承內(nèi)、外圈之間的應(yīng)力差異，對兩種狀態(tài)在同樣的載荷和約束條件下分別進行了分析。圖5～圖8分別為有潤滑條件下軸承內(nèi)、外圈之間的Von Mises應(yīng)力、摩擦應(yīng)力和壓應(yīng)力分布；圖9～圖12分別為無潤滑條件下軸承內(nèi)、外圈之間的Von Mises應(yīng)力、摩擦應(yīng)力和壓應(yīng)力分布。

圖5 有潤滑情況下軸承的Von Mises應(yīng)力分布

圖6 有潤滑情況下軸承的摩擦應(yīng)力分布

圖7 有潤滑情況下軸承內(nèi)圈的壓應(yīng)力分布

圖8 有潤滑情況下軸承外圈的壓應(yīng)力分布

圖9 無潤滑情況下軸承的Von Mises應(yīng)力分布

圖10 無潤滑情況下軸承的摩擦應(yīng)力分布

圖11 無潤滑情況下軸承內(nèi)圈的壓應(yīng)力分布

圖12 無潤滑情況下軸承外圈的壓應(yīng)力分布

由有限元分析可知，軸承表面的最大接觸應(yīng)力是302.96 MPa(圖10)，小于該材料的許用接觸應(yīng)力(500～540 MPa)，因此，軸承的性能滿足設(shè)計要求。另外可以從分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸承外圈的最大接觸應(yīng)力稍大于內(nèi)圈的最大接觸應(yīng)力，二者的數(shù)值相差不大，因此在對結(jié)果精度要求不高的情況下，可以采用對稱接觸的分析方法對軸承的接觸情況進行分析。由圖6和圖10可知，在無潤滑的情況下內(nèi)、外圈之間的摩擦應(yīng)力是有潤滑條件下的1.8倍，所以保證軸承的良好潤滑是提高軸承壽命的有效途徑。

3 結(jié)束語

對大型電動輪礦用自卸車的車架和驅(qū)動橋間關(guān)節(jié)軸承在各工況下的受力進行了分析，基于此，對礦用自卸車前進時，車架和驅(qū)動橋間關(guān)節(jié)軸承進行了有限元分析，分析結(jié)果表明：軸承表面的最大接觸應(yīng)力小于該材料的許用接觸應(yīng)力,軸承的性能滿足設(shè)計要求；軸承內(nèi)、外圈的最大接觸應(yīng)力相差不大，在對結(jié)果精度要求不高的情況下，可以采用對稱接觸的分析方法對軸承的接觸情況進行分析；保證軸承的良好潤滑是提高軸承壽命的有效途徑。