徐文娟， 梁志強

(黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，哈爾濱 150027)

1t固定式礦車車架的輕量化設(shè)計

徐文娟， 梁志強

(黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，哈爾濱 150027)

針對礦車零部件安全儲備過高、運輸中無用功耗過大的問題，運用輕量化的思想，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對使用量最大的1 t固定式礦車的車架，進行了典型工況下的應(yīng)力和變形分析，提出了結(jié)構(gòu)件替換、局部加強以及碰頭座板厚度減薄的輕量化組合方案，即采用局部加強的8#普通槽鋼代替原異型槽鋼做車架的縱梁，同時減薄碰頭座板厚度。仿真結(jié)果表明:在滿足強度和剛度要求且碰頭有效發(fā)揮作用的基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)車架減重28.6 kg，為礦車輕量化提供了參考依據(jù)。

車架輕量化;有限元分析;應(yīng)力

車架是礦車的主要承載部件，在其運行過程中除承受車箱及貨載的重量以外，還承受很大的沖擊、振動等附加動載荷。因此，車架必須具有足夠的強度、剛度和抗疲勞性能［1－2］。以往由于安全防護措施不完善，設(shè)計時往往從結(jié)實耐用出發(fā)，礦車結(jié)構(gòu)比較笨重，部分零部件安全儲備過高而造成了材料的浪費，同時也導(dǎo)致運輸過程中無用功耗過大。

筆者運用輕量化的思想，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對使用量最大的1 t固定式礦車的車架進行應(yīng)力和變形分析，通過結(jié)構(gòu)件替換和局部加強使車架減重，從而為礦車的輕量化研究提供了有益參考。

1 車架結(jié)構(gòu)與受力分析

1.1 車架結(jié)構(gòu)

1 t固定式礦車車架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦車車架結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of mine car’s frame

圖1中1 t固定式礦車的車架是由中間拉扳、兩根縱梁和兩端碰頭座兼作橫梁構(gòu)成的框架式結(jié)構(gòu)。車架縱梁采用腹板較厚的異型槽鋼，車架兩端的碰頭座與縱梁通過鉚釘聯(lián)接。鑄鋼制成的碰頭座帶有容鏈凹槽，將碰頭(橡膠彈簧)安裝在碰頭座中，礦車發(fā)生碰撞時，利用碰頭來吸收沖擊能量，并將沖擊力由碰頭座傳遞給車架縱梁。軸卡是車架和輪軸的中間聯(lián)接零件，通過鉚接固定在車架的縱梁上。

1.2 典型工況

在煤礦井下機車運輸系統(tǒng)中，礦車由電機車牽引運行完成對煤或矸石的運輸，根據(jù)電機車運行工況的不同，分為加速啟動、勻速運行、減速制動三種運行工況。文中將車組中的最后一輛礦車的車架作為研究對象，以滿載減速制動狀態(tài)作為研究工況［3］，認(rèn)為在滿載減速制動停車過程中最后一輛礦車產(chǎn)生的碰撞力最大。

1.3 礦車與車架受力分析

1.3.1 礦車

當(dāng)車組即將進入卸載場或遇緊急情況需要停車時，牽引電機車制動減速，礦車依次碰撞停車。假設(shè)車組中礦車上的碰頭完好無損，這時車組中最后一輛礦車碰撞時受力狀態(tài)如圖2所示。

圖中Fpmax為最大碰撞力，可按文獻［4］中式(14)計算，假設(shè)Fpmax通過碰頭以均布載荷p施加在碰頭座與碰頭底面的接觸端面上，并由碰頭座傳遞給車架縱梁;Fpa為最后一輛礦車碰撞時的慣性力，

式中:m——滿載礦車質(zhì)量，m=m0+mmax，kg;

m0——礦車自身質(zhì)量，kg;

mmax——礦車最大裝載質(zhì)量，kg;

ap——最后一輛礦車碰撞時的減速度，ap=v2/2s，m/s2;

v——電機車平均運行速度，v=0.75vch，m/s;

vch——電機車運行速度，m/s;

s——制動距離，運送物料時，s≤40 m，設(shè)計時應(yīng)用制動距離的二分之一，即s=20 m。

圖2 最后一輛礦車受力Fig.2 Reception force of last mine car

1.3.2 車架

車架縱梁的上端面通過焊接與車箱圓弧底板相聯(lián)接，下端面與軸卡鉚接，因此，車架縱梁的上端面受到車箱及貨載的壓力;下端面在與軸卡接觸的部位，則作用有軸卡對縱梁的支反力。而拉板主要承受拉力，在研究碰撞問題時，可將拉板忽略不予考慮，縱梁受力如圖3所示。

圖3 縱梁受力Fig.3 Longitudinal beam’s force

圖3中G為車箱自重及最大貨物載重，即G=(mb+mmax)g;F1、F2分別為兩根車架縱梁對車箱支撐力的合力。假設(shè)車箱自重和貨載對車架縱梁的壓力以均布力形式作用在車架兩根縱梁的上端面，則有

式中:F1'——車箱自重和最大裝載重量對車架縱梁的壓力的合力，與車架縱梁對車箱支撐力的合力大小相等，方向相反，N;

式中:h——礦車重心距縱梁中性軸的高度，m;

Lp——礦車軸距，m。

文中所研究的1 t固定式礦車，其自身質(zhì)量m0為630 kg，其中車架質(zhì)量為260 kg，最大裝載質(zhì)量mmax為1 800 kg;采用10#異型槽鋼作為車架縱梁，Lz=1 600 mm，b=48 mm;采用單環(huán)鏈連接，其最大許用牽引力為58.8 kN。采用ZK 7－6/250型架線式電機車，共牽引16輛1 t固定式礦車，碰頭座的材質(zhì)為ZG270－500，其彈性模量E=1.75×105MPa，泊松比 μ =0.3，許用應(yīng)力［σsⅡ］=220 MPa;縱梁的材質(zhì)為 Q235，E=2.06 ×105MPa，μ =0.27，［σsⅡ］=195 MPa。

根據(jù)原始數(shù)據(jù)，由式(2)求得縱梁上端面均布力p1=0.148 MPa;由文獻［4］中式(14)求得最大碰撞力pmax=52 397 N，對應(yīng)均布載荷p=1.59 MPa;由式(1)求得慣性力Fpa=753 N;由式(3)求得附加動載荷pd=438 N。

p1——車箱自重和最大裝載重量施加在每根縱梁上端面的均布力，MPa;

mb——車箱質(zhì)量，kg;

Lz——車箱與縱梁的接觸長度，mm;

bz——車箱與縱梁的接觸寬度(異型槽鋼上端面的寬度)，mm;

α——異型槽鋼上端面與腰面的夾角，取α=60°;

g——重力加速度，m/s2。

礦車制動減速時產(chǎn)生的慣性力以集中力Fpa作用在礦車重心上，根據(jù)力的等效原理，將慣性力平移到車架重心(假設(shè)位于縱梁中性軸所在平面)上，需要在縱梁與軸卡接觸處施加一等效力偶，即附加動載荷pd，該附加動載荷使前部軸卡處的支反力增大，后部軸卡處的支反力減?。?］。作用在礦車上的附加動載荷pd為

2 車架應(yīng)力與變形的有限元分析

2.1 車架實體模型

將前述1 t固定式礦車車架的結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化:忽略拉板、軸卡、縱梁與橫梁連接部位的鉚釘及鉚釘孔以及車架零部件的工藝倒角和圓角，將車架縱梁和橫梁(碰頭座)按剛性連接處理，但保留碰頭座的細節(jié)結(jié)構(gòu)。直接在ANSYS中進行實體建模，車架實體模型如圖4所示。

圖4 車架實體模型Fig.4 Solid model of frame

2.2 車架有限元模型

采用SOLID45單元對車架進行6級智能網(wǎng)格劃分［6］，共得到107 718個單元，30 403個節(jié)點。車架的有限元模型如圖5所示。

圖5 車架有限元模型Fig.5 Finite element model of frame

2.3 載荷與約束

2.3.1 載荷

如前所述，在車架兩根縱梁(異形槽鋼)與車箱的焊接面上施加均布載荷p1，在車架重心處施加集中慣性力Fpa;在碰頭座與碰頭底面的接觸端面上施加均布載荷p;在與前部和后部軸卡接觸處中心位置，垂直縱梁中性層分別向下和向上以集中力的形式施加附加動載荷pd。

2.3.2 約束

取礦車縱向為y，橫向為x，垂直方向為z。針對選定的研究工況及研究對象，碰撞是發(fā)生在礦車前部的碰頭座上，故對礦車后部的碰頭座外端面施加y方向的約束;在車架與軸卡接觸平面的節(jié)點上施加x、z方向的約束。

2.4 車架應(yīng)力與變形

如圖6所示，碰頭座內(nèi)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在碰頭座底面的最外緣部位，其數(shù)值為22.728 MPa，遠小于ZG270－500的許用應(yīng)力［σsⅡ］=220 MPa;縱梁所受最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在車架與軸卡接觸位置的邊緣，其數(shù)值為68.165 MPa，遠小于Q235的許用應(yīng)力［σsⅡ］=195 MPa。車架最大等效應(yīng)力即為縱梁所受最大等效應(yīng)力。車架軸卡以外部分向下變形，最大變形量為0.37 mm，其出現(xiàn)在碰頭座的最外緣中心位置。由分析結(jié)果可知，礦車發(fā)生碰撞后，車架變形較小，產(chǎn)生的彎矩也較小，碰撞對車架不會造成太大的危害。

圖6 車架應(yīng)力及變形云圖Fig.6 Stress and strain nephograms of frame

文中所研究的1 t固定式礦車車架縱梁采用的是專用的異型槽鋼，與普通槽鋼相比，同型號的異型槽鋼成本要高。根據(jù)有限元分析結(jié)果，在正常使用過程中，即碰頭完好，正常發(fā)揮緩沖作用時，車架實際受力和變形都比較小，且碰頭座上的應(yīng)力小于縱梁上的應(yīng)力。因此文中所研究的1 t固定式礦車的車架具有足夠的強度和剛度儲備，可以在滿足強度和剛度要求的前提下進行輕量化改造。

3 車架的輕量化改進方案

礦車車架的輕量化有兩種途徑:一是不改變礦車車架的結(jié)構(gòu)但采用高強度輕質(zhì)材料來加工車架相應(yīng)的零部件，二是不改變車架零部件材料但改變零部件的結(jié)構(gòu)。文中采用第二種途徑，即材料不變但結(jié)構(gòu)改變。

3.1 車架縱梁材料選擇

3.1.1 8#普通槽鋼

選擇8#普通槽鋼替換原異型槽鋼，在距離縱梁兩端面400 mm位置(縱梁與軸卡接觸處)焊接長度為43 mm、高度為83 mm、厚度為5 mm的筋板來進行加強。加強筋板的位置如圖7所示。車架縱梁與車箱仍采用焊接方式連接。

圖7 加強筋位置Fig.7 Location plan of stiffener

為了簡化計算，假設(shè)其他載荷均不變。由于焊接面積較小，將車箱及貨載施加在車架上的均布力p1按線性分布處理，p1=6 155 N/m。

3.1.2 6#普通槽鋼

用6#普通槽鋼替換原異型槽鋼，加強筋的焊接位置如圖7所示。

3.2 碰頭座板厚度減薄

圖8所示為1 t固定式礦車改造前碰頭座的結(jié)構(gòu)及尺寸。由上述有限元分析結(jié)果可知，車架承受碰撞力后，碰頭座上的應(yīng)力較低，對于鑄鋼材質(zhì)的碰頭座來說，儲備了足夠的強度和剛度，可對碰頭座板厚度進行減薄?？紤]在牽引運行工況和斜井提升時碰頭座要承受一定的牽引力，故碰頭座板厚度不能太薄(另文分析)，因此，文中選擇了表1所示四種減薄板厚度方案進行對比分析。

圖8 減薄前碰頭座Fig.8 Bumper head case before thinning

表1 碰頭座板厚度減薄方案Table 1 Schemes of thin plate of bumper head case

3.3 輕量化車架方案

3.3.1 輕型車架縱梁的選擇

為了減少分析計算工作量，在能夠減重的前提下比較8#和6#普通槽鋼哪個加強后替換原異型槽鋼做車架縱梁更安全可靠。

方案1:用8#普通槽鋼加強后替換原異型槽鋼，碰頭座板厚度不變;

方案2:用6#普通槽鋼加強后替換原異型槽鋼，碰頭座板厚度不變。

圖9 車架等效應(yīng)力云圖Fig.9 Stress and strain nephograms of frame

分別對上述兩種方案的車架進行建模，劃分網(wǎng)格并施加載荷與約束，進行有限元分析，得到圖9所示上述兩種車架的等效應(yīng)力云圖。表2為上述兩種車架與原車架有限元分析結(jié)果對照表。根據(jù)車架縱梁材料許用應(yīng)力，分別求出兩種車架所能承受的最大碰撞力，如表2所示。

由表2可以看出，上述兩種方案車架的最大應(yīng)力值均大于原異型槽鋼車架縱梁的最大應(yīng)力值68.165 MPa，但均遠小于材料屈服強度195 MPa;最大變形量均大于原異型槽鋼車架縱梁的最大變形量0.37 mm，但均沒有超過1 mm，變形量很微小。

表2 車架有限元分析結(jié)果Table 2 Finite element analysis results of frame

考慮到礦車在使用過程中，存在碰頭損壞脫落失去緩沖作用而發(fā)生剛性碰撞的現(xiàn)象，而剛性碰撞力要遠遠大于有碰頭時的碰撞力，因此，一般設(shè)計礦車時要求碰頭要能吸收1/2～2/3的碰撞動能［2］，即車架強度要有2～3倍的安全系數(shù)。由表2可以看出，若碰撞力大于96 300 N，方案2中的車架將受到損壞，為保證改造后的車架滿足強度儲備要求，選擇方案1，即用8#普通槽鋼加強后替換原異型槽鋼作為車架縱梁。

3.3.2 8#普通槽鋼與減薄碰頭座的組合方案

采用8#普通槽鋼加強后替換原異型槽鋼作為車架縱梁，分別與表1中的四種減薄板厚度的碰頭座方案進行組合，得到方案3～6，分別對這四種方案的車架進行建模，劃分網(wǎng)格，并施加載荷與約束，進行有限元分析。圖10分別為這四種車架的等效應(yīng)力云圖。表3為這四種車架與原車架有限元分析結(jié)果對照表。

由圖10可知，上述四種方案車架在制動碰撞時，碰頭座上最大應(yīng)力遠小于材料許用應(yīng)力。由表3可以看出，上述四種方案車架的最大應(yīng)力值均小于材料屈服強度195 MPa;最大變形量均不超過1 mm，變形很微小?？梢?，減小碰頭座板厚度，車架受力將增大，但增大的幅度較小。為使車架減重較為明顯，文中選擇方案6為最終車架輕量化方案。

筆者分析的前提是，碰頭完好無損并正常發(fā)揮緩沖作用，但在礦山運輸生產(chǎn)實際中，由于碰頭損壞沒有及時更換，礦車在運行過程中存在著碰頭脫落丟失的現(xiàn)象?？紤]最不利情況，假設(shè)連續(xù)幾輛礦車前后碰頭全部損壞脫落，這時減速制動停車時，礦車之間將發(fā)生碰頭座之間的剛性碰撞。由于碰頭座沒有彈性，碰撞的恢復(fù)系數(shù)較大，因此其碰撞力是很大的，碰撞動能由整個礦車的變形(主要是碰頭座及車架)來吸收［5－6］，即車架軸卡處產(chǎn)生很大應(yīng)力，軸卡以外部分受到很大的向下的彎矩作用。但由于車架受到礦車車箱的約束，車架受到碰撞力的作用后不會明顯向下彎曲，于是這個彎矩便作用在碰頭座與縱梁頭接觸的部位，礦車頻繁的碰撞，車架端部便頻繁地受到這個彎矩的作用，碰撞力越大，變形越大，這個彎矩也就越大，較大彎矩的頻繁作用，將使得碰頭座與車架縱梁連接處發(fā)生疲勞進而斷裂。這與現(xiàn)場曾發(fā)生過的礦車碰頭座與車架縱梁連接處折斷的實際情況是相符的。從車架整體受力情況來看，縱梁所受應(yīng)力大于碰頭座所受應(yīng)力。這與生產(chǎn)實際中經(jīng)常發(fā)生的車架在軸卡處發(fā)生變形進而導(dǎo)致車架失效的情況也是相符的。

圖10 車架等效應(yīng)力云圖Fig.10 Stress and strain nephograms of frame

由此可見，碰頭的緩沖作用對礦車來說是非常重要的，因此在礦車使用過程中，一旦發(fā)現(xiàn)碰頭損壞必須及時更換，以確保礦車受到可靠的緩沖保護。

表3 車架有限元分析結(jié)果Table 3 Finite element analysis results of frame

4 結(jié)束語

目前，采用異型槽鋼作為車架縱梁的傳統(tǒng)礦車，在井下機車運輸系統(tǒng)中正常使用是安全可靠的，并具有較大的強度和剛度儲備。在保證強度和剛度的前提下，可以對其減重改造。用局部加強的8#普通槽鋼代替10#異型槽鋼并減薄碰頭座板厚度(頂板、中層板及底板均減至10 mm)，車架減重達28.6 kg，相對車架減少重量11.0%，效果較為明顯。文中僅對車架進行減重改造，如若同時考慮車箱及輪軸組的減重改造，整個礦車將會達到比較理想的減重效果。

［1］ 毛 君.煤礦固定機械及運輸設(shè)備［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2006:69－126.

［2］王志勇，夏琴芬，趙喜龍.煤礦專用設(shè)備設(shè)計計算:提升容器及窄軌運輸設(shè)備［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1984.

［3］李廣錄，徐文娟，曲 芳.礦車運行工況及受力分析［J］.煤礦機械，2010(11):84－87.

［4］江 梅.礦車動力分析和緩沖裝置的研究［J］.化工礦物與加工，2005(10):26－31.

［5］北京有色金屬設(shè)計院，鞍山黑色金屬礦山設(shè)計院.金屬礦山采礦設(shè)備設(shè)計［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1977:334－336.

［6］徐文娟，曲 芳，楊德生，等.1 t固定式礦車車箱受力變形的有限元分析［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2011，21(4):293－296.

Lightweight investigation on 1t fixed mine cars frame

XU Wenjuan，LIANG Zhiqiang
(Center for Engineering Training＆ Basic Experimentation，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

Amid at addressing excessive safety factors affecting the mine car parts and excessive useless power consumption occurring in transport，this paper introduces the use of lightweight approach and the finite element analysis software ANSYS for the stress and deformation analysis of 1 t fixed mine car frame found in the greatest use in typical operating condition，and proposes the lightweight combination scheme involving structural parts replacement，local reinforcement，and thinner plate of bumper head case，namely the replacement of the original alien channels with locally reinforced 8#common channel steel designed for the longitudinal frame，while thinning the plate thickness of bumper head.The simulation shows that the improved method，capable of a 28.6 kg reduction in frame，besides fulfilling the intensity and the rigidity requirement，provides a valid reference for the tramcar reduction.

lightweight of frame;finite element analysis;stress

TD524

A

1671－0118(2012)05－0514－07

2012－05－21

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(11511345)

徐文娟(1963－)，女，滿族，遼寧省撫順人，教授，碩士，研究方向:機械設(shè)計，E-mail:xwj9707@sohu.com。

(編輯 李德根)