伍生宏， 饒俊良,2,3

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇常州 213023；2.南昌礦山機械研究所，南昌 330013；3.江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

礦用工程車主要用于現(xiàn)代化煤礦無軌輔助運輸，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運輸效率高等特點。礦井道路與路面道路不同，井下工況惡劣，道路經(jīng)?？油莶黄?、顛簸起伏，在這樣的道路工況條件下，礦用工程車在結(jié)構(gòu)設(shè)計上與路面車輛有較大不同，主要是要求在礦井道路上滿載運輸具有一定的可靠性和安全性，也要有一定的結(jié)構(gòu)壽命。在實際車輛使用中，一些受力較大的車架部位容易發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、撕裂等損壞，所以需要在設(shè)計階段通過虛擬樣機仿真分析出各連接部位的受力情況。

1 建模理論

礦用工程車作為一種車輛，既包含車架、各種箱體等剛性體，又包含輪胎、板換、減震墊等柔性體。傳統(tǒng)的剛性體一體式建模不能滿足這種復(fù)雜多體的仿真，需要建立剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)虛擬樣機動力學(xué)模型來進行仿真分析。

多剛體系統(tǒng)是由多個剛性體連接組成的，各個組合剛體之間具有一定的約束和連接關(guān)系，各組合剛體可以在受力時產(chǎn)生相對運動。多柔性體系統(tǒng)可以采用離散法和有限元法等對柔性體進行分析，根據(jù)柔性體的不同，可能得到不同的動力學(xué)方程。將它們結(jié)合起來，即可組成一個剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)。ADAMS軟件所導(dǎo)出的機械系統(tǒng)的動力學(xué)方程如下所示：

式中：T為系統(tǒng)的動能；Q為廣義力列陣；q為系統(tǒng)的廣義坐標列陣；μ為對應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣；ρ為對應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣。

2 路面激勵仿真

根據(jù)煤礦道路情況的特點，選用最為接近的正弦起伏顛簸路來進行行駛路面激勵仿真。定義正弦路面波長為300 mm，幅度為20 mm。在仿真設(shè)置中，車輛行駛定義為：停車起步，再加速到二擋18 km/h。車輛行駛的驅(qū)動方式設(shè)置為4個車輛的轉(zhuǎn)動驅(qū)動，仿真時間為6 s，仿真步長為150。驅(qū)動馬達的驅(qū)動方程為

選取車輛10個主要的結(jié)構(gòu)連接部位：燃油箱、廢氣處理箱、補水箱、散熱器、柴油機及變矩器、變速箱、人及座椅、液壓油箱、氣包、車廂及貨物為動態(tài)受力的數(shù)據(jù)采集點，具體質(zhì)量參數(shù)見表1。

礦用工程車虛擬樣機在正弦路面激勵下的仿真建模如圖1所示。

圖1 正弦路面虛擬樣機仿真圖

3 仿真結(jié)果及分析

仿真之后，得到10個部件與車架動態(tài)受力的變化曲線，見圖2～圖11所示。

從曲線圖可以看出滿載時正弦路面激勵下各部件給車架的載荷是呈波形動態(tài)變化的，根據(jù)路面給于激勵的不同而不同，這也和車輛實際行駛在坑洼路面的顛簸相符。各部件的動態(tài)載荷峰值仿真結(jié)果見表1。

圖2 燃油箱與車架作用力曲線圖

圖3 廢氣箱與車架作用力曲線圖

圖4 補水箱與車架作用力曲線圖

圖5 散熱器與車架作用力曲線圖

圖6 柴油機及變矩器與車架作用力曲線圖

圖7 變速箱與車架作用力曲線圖

圖8 駕駛員及座椅與車架作用力曲線圖

圖9 液壓油箱與車架作用力曲線圖

圖10 氣包與車架作用力曲線圖

圖11 車廂及貨物與車架作用力曲線圖

表1 各連接部件的質(zhì)量與仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可知，安裝在前車架上的燃油箱、廢氣處理箱體、散熱器、人及座椅載荷倍數(shù)較大，大約為2.5左右。這些部件與車架的連接屬于剛性連接，而且它們在車輛中的安裝位置受前后車架鋼板彈簧及輪胎減震的影響較小，在路面顛簸激勵下，連接處動態(tài)載荷倍數(shù)較大。

安裝在前輪上部車架位置的補水箱、安裝在前橋兩前輪之間的柴油機及變矩器載荷倍數(shù)較小，為1.4。它們在車輛中的位置位于減震效果較好的鋼板彈簧及輪胎正上正中部，能借助這些柔性體的減震減少動態(tài)載荷。

安裝在車輛中部的變速箱、氣包，安裝在后車架上的車廂及貨物載荷倍數(shù)約為2左右。這些部件主要居于車輛中部，減震效果尚好。

從仿真結(jié)果整體上看，可以認為礦用無軌車在正弦路面激勵下的動態(tài)受力最大值為靜態(tài)受力的3倍。實際車輛裝配工藝中，可以考慮與車架剛性連接部位增加橡膠墊，同時，需根據(jù)載荷倍數(shù)結(jié)果適當增加車架連接處的結(jié)構(gòu)強度，保證車輛滿載行駛時車架的可靠性。

4 結(jié)語

根據(jù)礦用無軌車的實際工況，建立了基于正弦路面激勵的礦用無軌車虛擬樣機剛?cè)狁詈隙囿w動態(tài)仿真模型，通過動態(tài)仿真，得到車架承載處的動態(tài)載荷變化，分析了各部件在正弦路面激勵下對車架結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響，為車輛整體布局、車架可靠性及車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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