許聯(lián)航

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

鏟板式搬運車主要用來完成支架的鏟裝、溜槽的運輸以及煤機的抬運等作業(yè)。目前國內(nèi)現(xiàn)有液壓支架搬運車搬運質(zhì)量較低、行駛性能及作業(yè)安全性較差，因此，研制具有良好工作性能、高可靠性的新型防爆特殊型鏟板式搬運車具有重要意義[1，2]。

針對煤礦大采高工作面的不斷涌現(xiàn)，液壓支架和采煤機等綜采設(shè)備的重量不斷加大，設(shè)備搬運任務(wù)的日趨緊張的問題，目前國內(nèi)礦區(qū)在井下使用的鏟板式支架搬運車多依賴進(jìn)口，噸位涵蓋36t、55t、80t，且進(jìn)口鏟板車存在采購成本高、周期長、售后服務(wù)不及時等諸多問題。目前8.8m大采高工作面中使用的液壓支架重量近100t，目前國內(nèi)外最大的電動鏟板式支架搬運車載重量只有80t，還沒有搬運該型支架的蓄電池鏟板式搬運車，已無法滿足100t級的液壓支架的安裝與回撤工作，因此研制了100t級的WXP100防爆特殊型鉛酸蓄電池鏟板式搬運車。

由于搬運車輛滿載時負(fù)載大，并且行駛工況復(fù)雜，在滿載啟動、制動及過坑等工況時，容易造成鏟板式搬運車鏟叉、車架及各連接部位產(chǎn)生危險截面，各部件的載荷狀況直接影響其操作性能及可靠性。有限元分析方法在車輛進(jìn)行靜強度分析中使用較為廣泛，任筱偉等[3]采用有限元法對貨運軌道車輛車體強度進(jìn)行了分析，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。李石平[4]等對雙動力鋼軌打磨車中的牽引車和作業(yè)車車體進(jìn)行了靜強度有限元分析，并評定是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。史艷民等[5，6]介紹了單軌車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的三維模型與有限元分析模型的建模過程及技巧，并采用有限元法對其進(jìn)行了強度仿真分析并評定。以上均是對各種車型進(jìn)行了強度仿真分析，但是并沒有與實驗進(jìn)行對比，本文將對航天重工WXP100防爆特殊型鉛酸蓄電池鏟板式搬運車結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，并對實車進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變試驗，以驗證仿真分析方法的有效性。

1 車體結(jié)構(gòu)

WXP100防爆特殊型鉛酸蓄電池鏟板式搬運車是機、電、液一體化產(chǎn)品，針對井下搬家倒面作業(yè)中應(yīng)用，主要用于短距離搬運和安裝時擺放液壓支架。整車采用鉛酸蓄電池為動力源，電機作為動力輸出，4×4全輪驅(qū)動，主要由鉸接式車架、電動輪、駕駛室、鏟運機構(gòu)、牽引機構(gòu)、鉸接轉(zhuǎn)向機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 WXP100鏟板式搬運車模型

1.1 車架

車架的主要功用是支撐連接車輛各零部件，絕大多數(shù)部件和總成都通過車架來實現(xiàn)相對位置的安裝固定，而礦區(qū)路面差，特別是綜采工作面的工作條件十分惡劣，車架不僅承受自身、電池、液壓支架及其他總成的重量，還要受到路面和車架內(nèi)部動力總成的激勵，行駛及鏟運過程中產(chǎn)生的各種力和力矩直接作用在車架上，所以有必要對車架的強度進(jìn)行深入分析[7，8]。對于鏟板車的車架，其前車架是主要承力部件，滿載時前輪承載整車80%的重量。

車架采用鉸接式車架，主要由前車架、鉸接機構(gòu)、后車架、回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，可實現(xiàn)前、后車架的在水平面的偏轉(zhuǎn)和繞中心軸的回轉(zhuǎn)。通過轉(zhuǎn)向油缸的伸縮來推動前、后車架相對鉸接中心軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)前后車架的偏轉(zhuǎn)以達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)，使前后車體可以繞車軸中心轉(zhuǎn)動，在過坎或過坑時，輪胎較好貼合地面，增強通過能力，從而降低了對車架抗扭能力的要求。

車架主體結(jié)構(gòu)為盒型框架結(jié)構(gòu)，選用不同規(guī)格、不同材質(zhì)的鋼板焊接組焊成型，應(yīng)力較大部位選用高強度HG70E鋼板，受力較小部位選用Q345鋼板。

前車架安裝兩前驅(qū)動輪，前端安裝提升及翻轉(zhuǎn)油缸，左邊為嵌入式駕駛室，中間艙內(nèi)放置液壓及電控元件，后邊與中車架鉸接。前車架由上蓋板、底板、前側(cè)板、后側(cè)板，左側(cè)板、右側(cè)板等組成。中車架艙內(nèi)裝有轉(zhuǎn)向油缸、液壓泵電機，后端通過回轉(zhuǎn)支撐與后車架連接。中車架由前、后、左、右側(cè)板等焊接而成。后車架安裝兩驅(qū)動輪，后端通過油缸和擺臂連接電池鏟運機構(gòu)。后車架由前、后，內(nèi)、外側(cè)板及擋泥板等焊接而成。

1.2 鏟運機構(gòu)

鏟運機構(gòu)是整車功能的實現(xiàn)單元，包括提升曲柄、鏟叉連接座、鏟叉和鏟板。工作機構(gòu)通過提升曲柄實現(xiàn)載荷的提升，鏟叉可完成井下設(shè)備的叉裝等工作，加裝鏟板可完成液壓支架、采煤機等大噸位采掘設(shè)備的搬運工作[9]。

鏟運機構(gòu)分別由4個油缸控制鏟板的上下平動和轉(zhuǎn)動。鏟叉與鏟叉連接座用銷軸連接并配有定位銷來固定鏟叉工作時的位置。鏟叉連接座通過兩個提升曲柄及油缸與前車架相連。鏟叉連接座應(yīng)力較大部位選用高強度HG70E鋼板，受力較小部位選用Q345鋼板。鏟叉選用材料20CrNiMo鍛造成型。

1.3 蓄電池托架

蓄電池托架用于鏟運電池箱，包括提升曲柄、電池叉架和電池叉，利用提升曲柄實現(xiàn)電池箱的提升。蓄電池托架分別由4個油缸控制電池叉架的上下平動和轉(zhuǎn)動。電池叉與電池叉架用銷軸連接。在叉架的兩底部和前端面設(shè)計有定位銷，用來固定電池箱的位置。電池叉架通過兩個提升曲柄及油缸與前車架相連。

1.4 鉸接機構(gòu)及回轉(zhuǎn)機構(gòu)

鉸接機構(gòu)連接前、中車架，機構(gòu)的合理設(shè)計對保證整車轉(zhuǎn)向可靠性和行駛穩(wěn)定性具有重要意義，如圖2所示。

圖2 鉸接機構(gòu)

前后車體通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)繞車軸中心轉(zhuǎn)動，車輛在過坎或過坑時，輪胎較好貼合地面，可提高車架抗扭能力，增強車輛操縱穩(wěn)定性，提高抗側(cè)翻能力[10]。回轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)機構(gòu)

2 有限元分析理論

2.1 有限元分析理論

有限元分析是使用有限元方法來分析靜態(tài)或動態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。已取得了較為廣泛的應(yīng)用[11，12]，在實踐中，有限元分析法通常由以下步驟組成[13]：①預(yù)處理，用戶需建立物體待分析部分的模型，在此模型中，該部分的幾何形狀被分割成若干個離散的子區(qū)域或稱為“單元”。各單元在一些稱為"結(jié)點"的離散點上相互連接。這些結(jié)點中有的有固定的位移，而其余的有給定的載荷。準(zhǔn)備這樣的模型可能極其耗費時間，所以商用程序之間的相互競爭就在于：如何用最友好的圖形化界面的"預(yù)處理模塊"，來幫助用戶完成這項繁瑣乏味的工作。有些預(yù)處理模塊作為計算機化的畫圖和設(shè)計過程的組成部分，可在先前存在的CAD文件中覆蓋網(wǎng)格，因而可以方便地完成有限元分析。②分析：把預(yù)處理模塊準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入到有限元程序中，從而構(gòu)成并求解用線性或非線性代數(shù)方程表示的系統(tǒng)。

2.2 疲勞損傷理論

材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。疲勞損傷積累理論認(rèn)為，當(dāng)零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時，每一次載荷循環(huán)都對零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時，零件將發(fā)生疲勞破壞。較重要的疲勞損傷積累理論有線性和非線性疲勞損傷積累理論，線性疲勞損傷積累理論認(rèn)為，每一次循環(huán)載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷是相互獨立的?？倱p傷是每一次疲勞損傷的線性累加，它最具代表性的理論是帕姆格倫一邁因納定理，應(yīng)用最多的是線性疲勞損傷積累理論。

疲勞損傷發(fā)生在受交變應(yīng)力(或應(yīng)變)作用的零件和構(gòu)件，零件和構(gòu)件在低于材料屈服極限的交變應(yīng)力(或應(yīng)變)的反復(fù)作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應(yīng)力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴(kuò)展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。

常規(guī)疲勞強度計算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應(yīng)力、應(yīng)變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應(yīng)力一壽命曲線(S-N曲線)和應(yīng)變一壽命曲線(δ-N曲線)表示。應(yīng)力一壽命曲線和應(yīng)變一壽命曲線，統(tǒng)稱為S-N曲線。根據(jù)試驗可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式：

σmN=C

(1)

式中，N應(yīng)力循環(huán)數(shù)，m；C為材料常數(shù)。

由式(1)可以得出，應(yīng)力與壽命成反比關(guān)系，應(yīng)力越小，材料壽命越長。

2.3 可靠性評價

進(jìn)行靜強度評估時，應(yīng)保證在各工況下各節(jié)點當(dāng)量應(yīng)力值(Von Mises應(yīng)力)不大于所用材料的最大許用應(yīng)力值。

Von Mise應(yīng)力：

許用應(yīng)力：

式中，δm為當(dāng)量應(yīng)力，MPa；δ1、δ2、δ3為主應(yīng)力，MPa；[δ]為許用應(yīng)力，MPa；δn為屈服強度，MPa；n為許用安全系數(shù)，靜載工況取1.3，動載工況取1.1。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

采用Proe建立搬運車三維模型，并對小孔、圓角、倒角等進(jìn)行補充簡化，便于網(wǎng)格劃分。分別將搬運車的前車架、中車架、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、前后三角筋、鏟叉與電池托架三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中[15]，選用靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行仿真研究。其中應(yīng)力較大部位選用高強度HG70E鋼板，受力較小部位選用Q345鋼板，鏟叉選用材料20CrNiMo鍛造成型。定義材料屬性后對各部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，大部分采用六面體網(wǎng)格，得到滿足仿真要求的網(wǎng)格模型，如圖4—7所示，平均網(wǎng)格質(zhì)量在0.75以上。

圖4 前車架有限元網(wǎng)格模型

圖5 中車架有限元網(wǎng)格模型

圖6 鏟叉有限元網(wǎng)格模型

圖7 電池托架有限元網(wǎng)格模型

3.2 計算工況

進(jìn)行7種工況計算：空載靜止、滿載靜止、空載啟動、滿載剎車、空載過坑、滿載過坑、牽引工況。通過下述理論公式可得到各工況下車架上整體的輪載，本文僅將靜止和啟動兩種典型工況下的平衡公式列舉出來，其他工況下的載荷都可通過這兩種公式衍生出來進(jìn)行求解。靜止工況各橋受力如圖8所示。

圖8 靜止工況各橋受力示意圖

由力及力矩平衡公式得：

F1+F2=G

(4)

F1×L1=F2×L2

(5)

式中，F(xiàn)1、F2分別為前、后輪載，kN；G為簧上整車重量，kN；L1為前輪距質(zhì)心點的距離，m；L2為后輪距質(zhì)心點的距離，m。

0.2g啟動工況各橋受力如圖9所示。

圖9 平地啟動各橋受力示意圖

由力及力矩平衡公式[7]得：

F1+F2=G

Fa=0.2G

(7)

Fa1=0.2×F1

(8)

Fa2=0.2×F2

(9)

F1×L1-G×L2+Fa×H=0

(10)

式中，F(xiàn)a為0.2g啟動慣性載荷，kN；Fa1為前橋啟動時地面摩擦力，kN；Fa2為后橋啟動時地面摩擦力，kN；L為整車軸距，m；H為輪心距質(zhì)心點的高度，m。

3.3 分析結(jié)果

前車架、中車架、鏟叉與電池托架的靜強度計算結(jié)果見表1—2。從計算結(jié)果可以看出前、中車架均是鉸接板與車架結(jié)合處應(yīng)力較大，前車架最大應(yīng)力為351.74MPa，中車架最大應(yīng)力為223.59MPa；鏟叉在其背板與油缸連接板交界處應(yīng)力較大，為300.12MPa，電池托架背板的接觸邊應(yīng)力較大，為287.5MPa，得到的最大應(yīng)力均低于結(jié)構(gòu)材料的屈服強度。

表1 靜強度計算結(jié)果(一)

表2 靜強度計算結(jié)果(二)

4 應(yīng)力應(yīng)變試驗結(jié)果分析對比

僅使用有限元法對前車架進(jìn)行仿真分析不能完全滿足設(shè)計需要，為確保仿真計算結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性，還需在礦區(qū)道路條件下進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變試驗。本文采用VXI EX1629數(shù)采設(shè)備、PCB 481A信號調(diào)理儀進(jìn)行應(yīng)變測試，測試的傳感器為BE120-4CA型三向應(yīng)變計和BE120-10AA型單向應(yīng)變片，在礦區(qū)道路條件下進(jìn)行了為期三天的應(yīng)力應(yīng)變試驗。應(yīng)變片的測試位置主要集中在前車架上，特別是仿真應(yīng)力較大的區(qū)域，應(yīng)變測試方法為半橋法，粘貼方向秉持環(huán)a軸c的原則。

將礦區(qū)試驗中的實測應(yīng)變采用如下公式轉(zhuǎn)換成應(yīng)力：

式中，ε0、ε45、ε90分別為三向應(yīng)變片在三個方向上測得的應(yīng)變值；σ1、σ2為主應(yīng)力，MPa；σi為應(yīng)力強度，MPa；E為試驗件材料的彈性模量，MPa；μ為試驗件材料的泊松比。

得到如圖10所示的各結(jié)構(gòu)測點的應(yīng)力曲線，可看出，前車架鉸接區(qū)域測點最大應(yīng)力為305MPa，中車架鉸接區(qū)域測點最大應(yīng)力193MPa，鏟叉油缸連接板區(qū)域測點最大應(yīng)力294MPa，電池托架背板的接觸邊區(qū)域測點最大應(yīng)力278.2MPa，通過將實驗數(shù)據(jù)與有限元分析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可看出，有限元計算的數(shù)據(jù)比試驗測得的數(shù)據(jù)要大，且各實驗數(shù)據(jù)與有限元仿真之間的誤差在5%以內(nèi)，充分說明有限元分析的正確性。

圖10 區(qū)域測點應(yīng)力曲線圖

5 結(jié) 論

通過對WXP100防爆特殊型鉛酸蓄電池鏟板式搬運車的結(jié)構(gòu)的分析，通過Ansys Workbench軟件中建立搬運車有限元模型，并采用有限元分析方法對搬運車各組成部分在7種運行工況下進(jìn)行了靜強度分析，并通過與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了有限元分析的正確性，可作為進(jìn)一步優(yōu)化的基礎(chǔ)。