張娜

(山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

煤礦井下巷道狹窄，工作環(huán)境惡劣，地面多為煤泥和積水，車輛在此類凹凸路面行駛時(shí)車身顛簸反復(fù)。因此，要求作業(yè)車輛能夠提供充足的動(dòng)力，且路況適應(yīng)能力強(qiáng)。

目前，鉸接型雙橋驅(qū)動(dòng)的防爆車輛在井下輔助運(yùn)輸中應(yīng)用較多。在鉸接車輛中，擺動(dòng)車架對(duì)整車的穩(wěn)定性和可靠性起到很大的作用[1-2]，因此,有必要對(duì)擺架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 整車結(jié)構(gòu)

本文所研究的礦用蓄電池車主要用于煤礦井下清理工作面，運(yùn)輸煤炭、錨桿、皮帶等輔助材料及裝卸、搬運(yùn)溜槽等[3]。其傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將前橋剛性固連于前車架。后橋部分則將擺架鉸接在后車架上，保證車輛在不平整的路面行駛時(shí)，后橋可以繞其縱軸擺動(dòng)一定的角度，改善車輪的附著條件，避免一側(cè)離地，從而得到較好的穩(wěn)定性。

1.2 擺架結(jié)構(gòu)

井下特種車輛，按照試用車型的不同，常用的橫向擺動(dòng)方式有兩種[4]：

1-前橋； 2-傳動(dòng)軸； 3-減速器； 4-擺架； 5-后橋。

1) 在中央鉸接處設(shè)置回轉(zhuǎn)支承擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過前后車架的相對(duì)擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)整車的橫向擺動(dòng)。中央鉸接部與前橋通過回轉(zhuǎn)支承相連，并可通過限位塊來控制轉(zhuǎn)角大小,從而繞其轉(zhuǎn)動(dòng)。

2) 整車的前、后機(jī)架不發(fā)生相對(duì)擺動(dòng)，后橋通過擺架鉸接在后機(jī)架上，擺架上的限位塊用來限制后橋擺動(dòng)角度，一般在±8°左右。

本文所研究的擺動(dòng)車架機(jī)構(gòu)是第二種，與后橋通過驅(qū)動(dòng)橋緊固筋相連。在Solidworks中建立相關(guān)的三維模型，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擺動(dòng)車架布置圖

2 擺架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

本文研究的擺架結(jié)構(gòu)為一個(gè)焊接件，由主板、連接板、筋板、擺架主體等部分組成，材料為Q550，屈服極限為550 MPa。擺架主體、驅(qū)動(dòng)橋緊固筋用螺栓與后橋固連在一起。

本文所研究的井下蓄電池車整車自重2.1×104kg，額定載荷為7×103kg，對(duì)后橋取距得到后橋承受載荷N=147 000 N，擺架限定角度7°。在極限工況下進(jìn)行分析，需要加一個(gè)負(fù)荷系數(shù)，取最小負(fù)荷系數(shù)為1.3、最大負(fù)荷系數(shù)為1.9進(jìn)行校對(duì)，得到相應(yīng)的Nmin=36 895.3 N,Nmax=67 584.9 N。

2.1 SimSolid軟件的特點(diǎn)

SimSolid是一款新型結(jié)構(gòu)仿真軟件，能在電腦上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝配模型的仿真分析，分析能力強(qiáng)。它采用新的計(jì)算方法，直接使用原始幾何模型，無需網(wǎng)格劃分，是傳統(tǒng)CAE軟件或CAD嵌入仿真工具分析能力的補(bǔ)充。它將分析范圍擴(kuò)展到更復(fù)雜的或更大的裝配體，并能在幾秒到幾分鐘內(nèi)提供分析結(jié)果。

使用SimSolid進(jìn)行有限元分析[5]，需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 分析時(shí)可以使用CAD自身格式幾何體，即可以容忍不精確的幾何體。SimSolid可以對(duì)所有幾何細(xì)節(jié)進(jìn)行分析，如孔、圓角及其他小特征等。即使有奇異面過渡、小碎片表面等復(fù)雜表面，也可保持不變。

2) 無需合并裝配。大多數(shù)傳統(tǒng)的有限元分析應(yīng)用程序推薦進(jìn)行合并裝配，以幫助網(wǎng)格化，并消除復(fù)雜和繁瑣的特殊元素連接。使用SimSolid，無需此操作，只需始終將所有CAD部件分開。

3) 無需擔(dān)心大型裝配體。使用SimSolid可以保留螺栓、螺母和墊圈等小零件。即使是帶螺紋的螺栓也可以。SimSolid獨(dú)特的自適應(yīng)解決方案流程可以在具有數(shù)百個(gè)零件的模型上高效工作。

4) 允許有不完美的連接幾何形狀。 在SimSolid中，裝配零件連接容許間隙(不接觸的幾何形狀)和穿透(重疊的幾何形狀)。它的裝配連接設(shè)置簡單、便捷，在處理不規(guī)則的接觸面方面是目前業(yè)界領(lǐng)先的。

2.2 分析結(jié)果

首先導(dǎo)入零件，創(chuàng)建一個(gè)新的分析，指定接觸條件，創(chuàng)建連接，設(shè)置材料屬性，并創(chuàng)建邊界條件，就可以指定分析過程，得到應(yīng)力分布圖和應(yīng)變圖。

1) 圖3為額定值的1.3倍載荷時(shí)的應(yīng)力分布圖和應(yīng)變圖。從圖3中可以看到，應(yīng)力最大值為299.00 MPa,對(duì)應(yīng)的擺架最大變形值為1.75 mm，運(yùn)行速度極快。

2) 將擺架的應(yīng)力加載至1.9倍，重新計(jì)算，可在原來的基礎(chǔ)上修改載荷大小，或者復(fù)制模型，重新加載。兩者的計(jì)算速度都很快，只是前者在設(shè)計(jì)樹中顯示1個(gè)模型，后者可以看到2個(gè)。最終可以得到圖4所示的云圖。從新得到的應(yīng)力圖中可以發(fā)現(xiàn)，載荷變大后，應(yīng)力最大值為474.40 MPa,擺架最大變形值為2.77 mm。整個(gè)仿真過程運(yùn)行速度極快，縮短了運(yùn)算時(shí)間，是傳統(tǒng)的有限元分析所不能比擬的。

圖3 1.3倍負(fù)荷系數(shù)下的受力云圖

圖4 1.9倍負(fù)荷系數(shù)下的受力云圖

3 對(duì)比分析

為了驗(yàn)證SimSolid軟件分析結(jié)果的可靠性，將擺架模型在ANSYS中同樣工況下進(jìn)行分析，并與前面的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算所得結(jié)果的誤差，判斷分析的合理性。

在ANSYS中分析時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況簡化模型，模型導(dǎo)入后仍需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格，其余分析與SimSolid基本相同。1.9倍和1.3倍負(fù)荷系數(shù)的分析結(jié)果分別見圖5、圖6。

1) 1.9倍負(fù)荷系數(shù)時(shí)該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值是450.70 MPa，最大變形量是2.63 mm。

圖5 1.9倍負(fù)荷系數(shù)下的受力云圖

圖6 1.3倍負(fù)荷系數(shù)下的受力云圖

2) 1.3倍負(fù)荷系數(shù)時(shí)該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值是276.70 MPa，最大變形量是1.62 mm。

3) 將兩次分析所得到的結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1所示。由表1可知,SimSolid和ANSYS兩種軟件在u1=1.3時(shí)的應(yīng)力分析誤差為8.05%,應(yīng)變分析誤差為8.22%;在μ2=1.9時(shí)的應(yīng)力分析誤差為5.26%,應(yīng)變分析誤差為5.32%。

表1 兩種分析軟件對(duì)比

對(duì)比表1的誤差可知，此次分析結(jié)果可靠，誤差小(在誤差允許的范圍內(nèi))。本文所選用的材料為Q550,其對(duì)應(yīng)的屈服極限為550 MPa。在此次分析中，載荷取最大的1.9倍時(shí)，擺架的極限應(yīng)力為474.40 MPa,可滿足這一工況，證明本文所研究的擺架結(jié)構(gòu)是合理的。

4 結(jié)論

通過上面的分析可以看出，基于SimSolid的擺架結(jié)構(gòu)的分析，在誤差允許的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠，運(yùn)算速度極高，充分說明該新型有限元分析軟件具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期，預(yù)估產(chǎn)品方案的可行性，節(jié)省了分析時(shí)間，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。