范江鵬

1中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機(jī)裝備有限公司 山西太原 030006

3煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 山西太原 030006

礦 用防爆無軌膠輪車承擔(dān)著煤礦井下運(yùn)人、運(yùn)料的核心任務(wù)，由于其出色的動(dòng)力性和機(jī)動(dòng)性，受到越來越多煤礦用戶的青睞[1-5]。邊梁式車架作為防爆無軌膠輪車的關(guān)鍵受力部件，不僅承擔(dān)著防爆柴油機(jī)、乘員和貨物的載荷，行駛過程中還受到來自巷道路面的沖擊載荷[6-8]，因此防爆無軌膠輪車車架的強(qiáng)度和剛度對(duì)車輛發(fā)揮正常功能以及行駛性能有著重要作用。

根據(jù)應(yīng)用礦井形貌的不同，礦用防爆無軌膠輪車整車尺寸、結(jié)構(gòu)布置以及車身姿態(tài)角等需要重新設(shè)計(jì)，造成邊梁式車架的定制化程度很高。由于同類產(chǎn)品批量較小，若開發(fā)異形邊梁式車架，經(jīng)濟(jì)性較差，因此目前通常采用“主梁+副梁”的形式取代異形梁的模式。以東部某煤礦需求的一款 5 t 的四輪驅(qū)動(dòng)自卸車為例，該車型采用了“主梁+副梁”形式的邊梁式車架。相較常規(guī)車架，該車架最主要的變化在于，后鋼板彈簧安裝座的安裝孔中有 2 個(gè)孔位于主梁上，2 個(gè)孔位于副梁上，主梁和副梁的組合強(qiáng)度有待驗(yàn)證。為充分驗(yàn)證“主梁+副梁”形式的邊梁式車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，縮短開發(fā)周期，采用有限元分析方法對(duì)這種形式的邊梁式車架在幾種常用工況下進(jìn)行力學(xué)分析，為此后車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 邊梁式車架有限元模型

1.1 邊梁式車架模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)需求建立“主梁+副梁”形式的邊梁式車架數(shù)模。主梁通體采用 8 mm+5 mm 的雙層梁結(jié)構(gòu)，副梁鉚接于主梁尾端的下方，以滿足整車的布置需求。考慮到副車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將左右兩側(cè)副車架利用圓管進(jìn)行加固。車架左右縱梁采用 510L 汽車大梁用熱軋鋼板，各橫梁、圓管采用 Q345 低合金鋼，如圖 1 所示。各材料的力學(xué)性能如表 1 所列。

表1 邊梁式車架材料力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of material of side-beam type frame

圖1 邊梁式車架模型Fig.1 Model of side-beam type frame

1.2 模型邊界條件的設(shè)置

針對(duì)不同工況，對(duì)車架上的前后車輪處鋼板彈簧安裝孔進(jìn)行不同的約束處理。車架受到重物、駕駛室、防爆柴油機(jī)、變速箱、氣包、補(bǔ)水箱、廢氣處理箱等部件的重力，以集中載荷方式施加于相應(yīng)位置。車架受力分析如圖 2 所示，各車輪處鋼板彈簧安裝孔在各工況下的約束條件如表 2 所列。

表2 各工況下各車輪鋼板彈簧安裝孔約束條件Tab.2 Restraint conditions at assembly hole for spring of steel plate of each wheel in various operation modes

圖2 車架受力分析Fig.2 Stress analysis on frame

2 邊梁式車架強(qiáng)度分析

由于井下工況條件復(fù)雜，巷道路面不平整，受到光線等因素的影響，駕駛員遇到突發(fā)情況較為頻繁，因此，除了對(duì)車架在彎曲工況、彎曲和扭轉(zhuǎn)組合工況下進(jìn)行分析外，還對(duì)車架在緊急制動(dòng)工況下進(jìn)行分析。

2.1 彎曲工況

彎曲工況是指車輛在水平路面上靜止或勻速行駛。此工況下，將 4 個(gè)車輪處的鋼板彈簧安裝孔進(jìn)行全部約束?？紤]到實(shí)際使用工況，取動(dòng)載荷系數(shù)為 3，即施加各項(xiàng)載荷時(shí)均按照實(shí)際重力的 3 倍進(jìn)行加載。彎曲工況下車架的分析結(jié)果如圖 3 所示。由圖 3 可知，車架最大受力約為 102 MPa，變形較大處在車架中間位置，最大變形約為 1.06 mm，車架強(qiáng)度和剛度滿足使用需求。

圖3 彎曲工況下車架分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of frame in bending operation mode

2.2 彎曲和扭轉(zhuǎn)組合工況

彎曲和扭轉(zhuǎn)組合工況 (簡(jiǎn)稱彎扭工況) 是指車輛在不平路面上 2 個(gè)或 3 個(gè)車輪著地行駛。彎扭工況具體分為 2 種：①左前輪和右后輪對(duì)應(yīng)的鋼板彈簧安裝孔全部約束；② 除左后輪對(duì)應(yīng)的鋼板彈簧安裝孔不約束外，其余 3 個(gè)車輪對(duì)應(yīng)的鋼板彈簧安裝孔全部約束。考慮到實(shí)際使用工況，取動(dòng)載荷系數(shù)為 3，2 種彎扭工況下車架的分析結(jié)果分別如圖 4、5 所示。由圖 4 可知，兩輪著地工況下，車架最大受力約為 329 MPa，發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝固定座處，最大變形約為 2.42 mm，該工況下車架的最大受力已接近材料允許的使用極限；由圖 5 可知，三輪著地工況下，車架最大受力約為 285 MPa，發(fā)生在車架后鋼板彈簧安裝孔處，最大變形約為 2.35 mm，車架強(qiáng)度和變形均在材料的合理使用范圍內(nèi)。

圖4 兩輪著地彎扭工況下車架分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of frame in bending and torsion operation mode with two wheels contacting road surface

圖5 三輪著地彎扭工況下車架分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of frame in bending and torsion operation mode with three wheels contacting road surface

2.3 緊急制動(dòng)工況

緊急制動(dòng)工況是指在車輛制動(dòng)瞬間。根據(jù) MT/T 989—2006 設(shè)計(jì)要求及預(yù)留設(shè)計(jì)余量得出，防爆無軌膠輪車在緊急制動(dòng)情況下的加速度為 4.5 m/s2。此工況下，車輛 4 個(gè)車輪對(duì)應(yīng)的鋼板彈簧安裝孔全部約束，動(dòng)載荷系數(shù)取 1.5。緊急制動(dòng)工況下車架的分析結(jié)果如圖 6 所示。由圖 6 可知，在車架前部 1/3 處應(yīng)力值最大，約為 72 MPa，最大變形約為 0.81 mm，該工況下車架強(qiáng)度和變形均在允許范圍內(nèi)。

圖6 緊急制動(dòng)工況下車架分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of frame in emergency braking operation mode

3 車架分析改進(jìn)

通過對(duì)車架在上述工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到各工況下車架的安全系數(shù)，如表 3 所列。在改進(jìn)前的各工況下，車架的變形均在 5 mm 以內(nèi)，符合車架的設(shè)計(jì)要求[9-11]；而對(duì)于車架的強(qiáng)度，在大部分工況下的安全系數(shù)均滿足使用需求，其結(jié)構(gòu)被認(rèn)定是安全的，但是在彎曲和扭轉(zhuǎn)組合工況下，其安全系數(shù)較低，均小于 1.3，薄弱環(huán)節(jié)是在車架前部 1/3 處。為了提高車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在車架前部 1/3 處增加長(zhǎng)度為 800 mm、厚度為 5 mm 的槽形加固墊板，并將發(fā)動(dòng)機(jī)左右支撐座的橫拉管直徑由 25 mm 增加為 30 mm。經(jīng)分析，兩輪著地工況下應(yīng)力減小為 258 MPa，安全系數(shù)為 1.38；三輪著地工況下應(yīng)力減小為 216 MPa，安全系數(shù)達(dá)到 1.64，均在材料允許范圍內(nèi)。改進(jìn)后各工況下的車架安全系數(shù)如表 3 所列。

表3 改進(jìn)前后各工況下車架應(yīng)力和安全系數(shù)Tab.3 Stress and safety coefficient of frame in various operation modes before and after improvement

考慮到各工況下的動(dòng)載荷系數(shù)，車輛實(shí)際的載荷下的安全系數(shù)為：彎曲工況 10.14；彎曲和扭轉(zhuǎn)工況的兩輪著地工況 4.14，三輪著地工況 4.92；制動(dòng)工況 7.71。綜上，“主梁+副梁”形式的邊梁式車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足各工況的使用需求。

4 結(jié)語

為了滿足煤礦用戶對(duì)防爆無軌膠輪車的使用需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了“主梁+副梁”形式的邊梁式車架，利用三維及有限元分析技術(shù)對(duì)邊梁式車架進(jìn)行分析改進(jìn)。在彎曲和制動(dòng)工況下，車架的應(yīng)力和變形均在材料的合理使用范圍內(nèi)，但在彎曲和扭轉(zhuǎn)組合工況下，安全余量較小。改進(jìn)后的車架在各工況下的安全系數(shù)均有所提升，可有效提高防爆無軌車輛車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，延長(zhǎng)車輛使用壽命。

改進(jìn)后的邊梁式車架在煤礦使用一年后，未出現(xiàn)損壞以及明顯的變形，證明“主梁+副梁”形式的邊梁式車架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)及使用需求，為后續(xù)同類型車架的設(shè)計(jì)提供了參考。