尹亮, 丁杰, 李旋旗

(1. 湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 湖南常德,415000;2. 湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院, 湖南常德,415000)

目前, 湖南省內(nèi)礦井一般采用翻斗式礦車, 生產(chǎn)效率低、安全性能差, 且無法滿足地下礦井對(duì)排放的要求。由于運(yùn)礦車運(yùn)行在地下礦場(chǎng), 工作環(huán)境惡劣, 安全生產(chǎn)問題至關(guān)重要, 國(guó)家為確保礦山生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)陌踩? 出臺(tái)了一系列強(qiáng)制性的法律法規(guī)[1]。上世紀(jì)六十年代開始, 國(guó)外就針對(duì)地下運(yùn)礦車進(jìn)行了相關(guān)研究, 載重量從最初的6 t 小型運(yùn)礦車發(fā)展到承載量超過50 t 的大噸位運(yùn)礦車。美國(guó)的Atlas 公司和Terex 公司、加拿大的DUX 公司、南非的Bell 公司、瑞典的Volvo 公司等在車身優(yōu)化、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力參數(shù)選擇與整車匹配方面均進(jìn)行了大量工作。在地下運(yùn)礦車設(shè)計(jì)研究方面, 國(guó)內(nèi)有很多企業(yè)已經(jīng)走在行業(yè)前列[2-9], 如太原礦山機(jī)器集團(tuán)有限公司研究的UK-12 系列型地下運(yùn)礦車, 該車采用后卸式車廂, 鉸鏈?zhǔn)杰嚿碓O(shè)計(jì)。藍(lán)田UK-40 型井下運(yùn)礦自卸車采用鉸接車架, 負(fù)荷傳感全液壓轉(zhuǎn)向, 雙回路行車制動(dòng)系統(tǒng), 具有轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活、安全可靠的特點(diǎn)[10-12]。固安特工程機(jī)械有限公司研制的UQ-5地下運(yùn)礦車是為了適應(yīng)平巷為主, 巷道窄, 高度較矮的礦井設(shè)計(jì)。

為了適應(yīng)國(guó)家要求及市場(chǎng)需要, 根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地下運(yùn)礦車安全檢驗(yàn)規(guī)范》要求, 本文開展了針對(duì)UK-8 地下運(yùn)礦車的設(shè)計(jì)研究, 通過對(duì)地下運(yùn)礦車進(jìn)行理論計(jì)算以及仿真分析, 以進(jìn)一步提升整車的設(shè)計(jì)水平, 使其滿足現(xiàn)有市場(chǎng)的要求。

1 動(dòng)力性能分析

1.1 汽車的行駛方程式

專用汽車在直線行駛時(shí), 驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力之間的關(guān)系式如下[13]:

式(1)中:Ft為驅(qū)動(dòng)力;Ff為滾動(dòng)阻力;Fw為空氣阻力;Fi為坡度阻力;Fj為加速阻力。

1.2 燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

專用汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性通常用車輛在水平的混凝土或?yàn)r青路面上, 以經(jīng)濟(jì)車速v滿載行駛的百公里油耗量來評(píng)價(jià), 百公里油耗Q, 單位L/100 km。油耗可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性來計(jì)算, 公式為:

式(1)中:ρ為燃油的密度,kg/L。柴油可取ρg=7.94～8.13 N/L;g為重力加速度。

1.3 汽車最高車速的確定

汽車最高車速的計(jì)算:

其中:Tem為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;nt為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速,r/min;np為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速,r/min;Tp為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)矩,N·m。

當(dāng)汽車以直接檔行駛時(shí)有公式:

因?yàn)锳＜0,D＞0, 求專用汽車的最高車速

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及性能分析

2.1 主要性能參數(shù)

UK-8 地下運(yùn)礦車在充分借鑒國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品同時(shí), 在技術(shù)上進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn), 使其在現(xiàn)有性能及結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)上, 通過引入新的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī), 在增大動(dòng)力的同時(shí)又能有效減小尾氣排放; 同時(shí), 加裝了排氣凈化裝置, 能有效降低柴油機(jī)碳煙排放; 引入氮?dú)庖簤赫{(diào)整機(jī)構(gòu)解決了車輛動(dòng)力喪失等故障情況下車輛無法行駛的問題。其具有結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)范圍廣,能耗低, 效率高、操作舒適、使用成本低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、維修簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。其主要參數(shù)如表1 所示。

表1 整車參數(shù)

2.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

原有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要通過零部件裝配與試制工作來完成, 在零部件的裝配關(guān)系上, 往往存在精度不高的問題, 不僅會(huì)影響整車的使用感受, 還會(huì)加劇個(gè)別零部件的損耗程度。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平,對(duì)現(xiàn)有地下運(yùn)礦車產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)繪與三維建模工作, 得到整車的三維模型, 如圖1 所示。進(jìn)而可以開展相應(yīng)的仿真分析等工作。通過引入新的設(shè)計(jì)手段, 建立并完善產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)庫(kù)后可實(shí)現(xiàn)原型產(chǎn)品的系列化快速開發(fā), 提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性, 大大減小產(chǎn)品制造階段的試制與返工的綜合成本。

圖1 整車三維模型

2.3 結(jié)構(gòu)仿真分析

UK-8地下運(yùn)礦車的車體結(jié)構(gòu)主要由鈑金件焊接、螺栓連接而成。車輛在裝卸、運(yùn)輸?shù)冗^程中, 結(jié)構(gòu)件的可靠性對(duì)車輛安全至關(guān)重要, 因此需要對(duì)整車進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、振動(dòng)模態(tài)分析, 以驗(yàn)證車體結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

該車體結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱, 故取整體結(jié)構(gòu)建立有限元力學(xué)模型。為了兼顧仿真的精度與效率, 傳動(dòng)軸、車橋等部分采用六面體為主, 極少數(shù)為棱柱體的體單元; 車廂、大梁等鈑金件采用四邊形為主, 極少數(shù)為三角形的板殼單元; 因發(fā)動(dòng)機(jī)的造型復(fù)雜, 將發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn); 螺栓、焊縫等采用剛性單元進(jìn)行模擬。利用Hyper Mesh軟件建立的整車有限元模型,再通過ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析和靜力學(xué)分析[14]。

通過模態(tài)分析時(shí), 得出前6階模態(tài)頻率分別為7.36、10.49、10.66、10.97、11.31 Hz。圖2為第1階模態(tài)振型, 由圖2可知, 車廂由于體積和重量較大, 會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的扭轉(zhuǎn), 從振型的數(shù)量級(jí)來看, 車廂扭轉(zhuǎn)的位移量很小, 說明整車的剛度大, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠。

圖2 第1階模態(tài)振型

圖3 為車廂滿載工況的應(yīng)力和位移分布。由圖3可知, 車廂滿載工況下, 由于車廂采用了封閉梁結(jié)構(gòu)鋼板的厚度大, 車廂部位的應(yīng)力并不明顯。整車的受力主要集中在車廂與液壓桿、液壓桿與車架等承載部位, 從應(yīng)力水平來看, 應(yīng)力值未超出材料Q345E的屈服強(qiáng)度, 最大位移為3.76 mm, 說明整車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕量大, 可以大幅提高整車抗過載能力。

圖3 車廂滿載工況的靜力學(xué)分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 采用軟件SOLIDWORKS 對(duì)整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模, 通過理論計(jì)算獲得了整車各項(xiàng)性能參數(shù),重點(diǎn)對(duì)整車動(dòng)力性能參數(shù)進(jìn)行了分析。

(2) 對(duì)整車進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)分析, 研究表明車廂扭轉(zhuǎn)的位移量很小, 說明整車的剛度大。

(3) 對(duì)整車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析, 滿載工況下關(guān)鍵承載部位應(yīng)力值均未超出許用應(yīng)力, 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。