曲芳 ， 郝帥 ， 張蕊

（1.黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，哈爾濱150022；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150027；3.黑龍江省社會(huì)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心，哈爾濱150012；4.哈飛模具股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，哈爾濱150060）

0 引言

礦車是礦井的主要運(yùn)輸和提升設(shè)備之一，從狹義上指運(yùn)輸煤炭（或礦石）及矸石的車輛［1］。對(duì)于主要裝運(yùn)煤矸石的礦車，車箱是其直接容納貨載的部分，因此礦車車箱在結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，自身質(zhì)量越小越好，以提高運(yùn)輸、提升的效率。而減輕容器自重的重要途徑是通過(guò)剛度強(qiáng)化的方式，獲得輕質(zhì)車箱同時(shí)，還可以得到優(yōu)良的性能參數(shù)。文中以1 t固定式礦車車箱為研究對(duì)象，針對(duì)滿載矸石礦車組在平巷軌道制動(dòng)碰撞這一工況，利用ANSYS建立車箱模型，并進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析，得出重車組最后一輛礦車車箱的受力情況。在危險(xiǎn)工況下通過(guò)減薄車箱壁厚至4 mm，并增加不同位置的局部加強(qiáng)角鋼來(lái)實(shí)現(xiàn)車箱的輕質(zhì)化，比較這4種局部加強(qiáng)方式的減重效果，得出最優(yōu)方案。

1 建立車箱有限元模型

應(yīng)用有限元方法建模分析，這是提高車箱性能，由經(jīng)驗(yàn)、類比設(shè)計(jì)走向動(dòng)態(tài)建模、虛擬設(shè)計(jì)的一個(gè)必由之路。隨著有限元方法和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，模型會(huì)越來(lái)越精確［2］。文獻(xiàn)［3］用殼單元建立載重貨車車箱模型來(lái)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，文獻(xiàn)［4］用殼單元模擬汽車車身連接件建模，并在建模技術(shù)及其應(yīng)用上取得了很大的進(jìn)展。文中對(duì)于Q235材料4.5 mm壁厚的1t固定式礦車車箱各面也采用殼體4節(jié)點(diǎn)shell63單元來(lái)建立幾何模型并進(jìn)行有限元分析，利用殼體單元建立的礦車車箱幾何模型如圖1所示。建模中，忽略了排水孔、車箱凸棱和倒角。車箱各面設(shè)為Shell 63單元，殼體厚度4.5 mm。將車箱上口的角鋼和包邊鐵簡(jiǎn)化為Beam 188梁?jiǎn)卧?，?根。其中2根短梁尺寸50mm×50 mm×860 mm，2根長(zhǎng)梁尺寸 50 mm×50 mm×1 560 mm。與車箱圓弧底板連接處的車架梁異形槽鋼簡(jiǎn)化為Beam 4梁?jiǎn)卧?，?根，尺寸50 mm×50 mm×1 560 mm。

圖1 礦車車箱幾何模型

對(duì)各個(gè)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。共得到20 830個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 654個(gè)單元。車箱分網(wǎng)模型如圖2所示。

2 施加載荷和位移約束

針對(duì)電機(jī)車牽引滿載矸石的重車組，在平巷軌道上制動(dòng)碰撞時(shí)，最后一輛礦車4.5 mm壁厚的Q235材料車箱受力情況：

圖2 車箱分網(wǎng)模型

1）在梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)上施加位移約束。在由異形槽鋼簡(jiǎn)化的兩根梁一端節(jié)點(diǎn)19、節(jié)點(diǎn)23上施加ALL DOF方向的位移約束，而在另一端節(jié)點(diǎn)17、節(jié)點(diǎn)18上施加UX、UY、ROTX、ROTY方向的位移約束。

2）在梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)上施加集中力載荷。沿著礦車運(yùn)行方向上受到的合力通過(guò)連接器作用在車架上并通過(guò)車架與車箱焊接位置處的兩根異形槽鋼傳遞給車箱，將異形槽鋼屬性設(shè)置成特殊截面形狀的梁?jiǎn)卧?，因此作用在每根梁?jiǎn)卧欢斯?jié)點(diǎn)17、節(jié)點(diǎn)18上的集中力大小為28 059.5 N，方向?yàn)?Z向。

3）在車箱圓弧底板殼體單元節(jié)點(diǎn)上施加集中力載荷。所有面劃分完網(wǎng)格之后，將車箱內(nèi)滿載的矸石質(zhì)量1800kg對(duì)于車箱圓弧底板的垂直方向的壓力以-Y方向的集中力形式分別施加在圓弧底板分網(wǎng)后的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

4）在車箱各面殼體單元上施加均布力載荷。將貨載下滑力及慣性力產(chǎn)生的壓強(qiáng)63 577.9 Pa，以均布載荷的形式作用在車箱前端板。貨載對(duì)車箱端板和側(cè)壁產(chǎn)生的水平方向的壓力以均布載荷的形式作用在車箱各面。各面所在位置處的均布載荷的方向在施加的時(shí)候以圍成面的線滿足右手螺旋法則為正，反之為負(fù)。

3 求解計(jì)算與應(yīng)力分析

求解計(jì)算并顯示應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。圖中最大變形量DMX為1.062×10-3m，最大應(yīng)力SMX為104 MPa。車箱最大應(yīng)力值出現(xiàn)在施加約束的節(jié)點(diǎn)17、節(jié)點(diǎn)18、節(jié)點(diǎn)19和節(jié)點(diǎn)23處。

圖3 壁厚4.5 mm車箱制動(dòng)碰撞時(shí)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

車箱材料Q235為熱軋厚鋼板，許用應(yīng)力［滓11］W=195.8MPa，顯然 SMX＜［滓11］W，故 4.5 mm 壁厚的 Q235 材料車箱滿足強(qiáng)度要求。

現(xiàn)將車箱壁厚由4.5 mm減薄至4 mm，求解計(jì)算并顯示應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。圖中最大變形量DMX為1.459×10-3m，最大應(yīng)力SMX為119 MPa。顯然SMX＜［滓11］W，故4 mm壁厚的Q235材料車箱滿足強(qiáng)度要求。但最大變形量DMX為1.459×10-3m＞1.062×10-3m，較原車箱剛度有所減弱。

圖4 壁厚4 mm車箱制動(dòng)碰撞時(shí)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

4 車箱剛度強(qiáng)化方案及比較選用

減薄車箱壁厚至4 mm后，車箱剛度有所減弱。為了增加其剛度，采用四種局部加強(qiáng)的方案，即在車箱四周4處不同位置加焊等邊角鋼，增加車箱剛度同時(shí)，減輕自身質(zhì)量。由車箱上口開(kāi)始起向-Y方向，量取0.143 4 m的位置設(shè)為位置1；量取0.286 8 m的位置設(shè)為位置2，量取0.430 2 m的位置設(shè)為位置3，量取0.573 6 m的位置設(shè)為位置4，具體如表1所示。

表1 車箱剛度強(qiáng)化方案表

方案一至方案四的車箱分網(wǎng)模型如圖5～圖8所示。

再應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)車箱在典型工況下的應(yīng)力和變形進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于不同方案的車箱進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核，并對(duì)減重效果進(jìn)行比較，從而確定車箱最優(yōu)的減重方案。對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一至方案四進(jìn)行有限元分析，校核車箱的強(qiáng)度和剛度。為便于比較，假設(shè)車箱壁厚減薄至4 mm的受力情況與壁厚為4.5 mm時(shí)相同。有限元分析結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖5 方案一車箱分網(wǎng)模型

圖6 方案二車箱分網(wǎng)模型

圖7 方案三車箱分網(wǎng)模型

圖8 方案四車箱分網(wǎng)模型

圖9 方案一節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖10 方案二節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

Q235材料4 mm壁厚車箱加焊局部加強(qiáng)角鋼后四種方案結(jié)果分析對(duì)比表如表2所示。

綜上所述，4種減重方案車箱的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，且不與礦車結(jié)構(gòu)中的其它部件如碰頭座等發(fā)生干涉。采用方案一或方案二的礦車車箱，減輕的質(zhì)量均較多，減重效果較好。綜合考慮各方面因素，建議采用方案一或方案二來(lái)替換原4.5 mm壁厚的礦車車箱。

圖11 方案三節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

圖12 方案四節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖

表2 Q235材料4 mm壁厚車箱加焊角鋼后分析對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于Q235材料4.5 mm壁厚的礦車車箱，在滿載矸石礦車組的平巷軌道上制動(dòng)碰撞，這一工況下進(jìn)行有限元分析。在原車箱壁厚4.5 mm基礎(chǔ)上，通過(guò)比較四種剛度強(qiáng)化方案，使其滿足使用要求并分析減重效果，最終確立了礦車車箱的最優(yōu)加強(qiáng)方案。對(duì)礦用車輛的輕質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了有益的探討，為輕質(zhì)化礦車的實(shí)用性設(shè)計(jì)奠定前期的理論基礎(chǔ)。

［參考文獻(xiàn)］

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