田 野，姜永利，董 哲，吉日木圖

（1.國能寶日希勒能源有限公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021025；2.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014060）

0 引言

電動輪礦用車因傳動效率高、載重噸位大、輸出功率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各大礦山廣泛使用。它通常配備有電驅(qū)動系統(tǒng)，電控柜是電驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在很大程度上決定了電驅(qū)動系統(tǒng)能否正常工作以及使用壽命。常見的電控系統(tǒng)多為整體箱型結(jié)構(gòu)，通過連接支架安裝固定在礦用車的平臺結(jié)構(gòu)上。根據(jù)電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量等因素，可以初步確定電控柜支架的結(jié)構(gòu)與固定形式，并根據(jù)使用工況對材料進(jìn)行選型、建立支架的三維模型。本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench，對某電動輪礦用車電控系統(tǒng)安裝支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性與合理性，為相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 電控系統(tǒng)支架有限元模型前處理

1.1 支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模

根據(jù)電控系統(tǒng)電控柜的結(jié)構(gòu)，可初步制定電控柜支架的結(jié)構(gòu)形式與固定方式。支架主體框架采用型材制作，以兩個(gè)L 形角鋼作為橫梁、作為主體框架；使用若干槽鋼作為縱梁，支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；橫縱梁之間通過焊接結(jié)構(gòu)固定。支架與電控柜接口通過槽鋼上的螺栓孔進(jìn)行緊固連接，支架與平臺接口同樣通過角鋼處的螺栓進(jìn)行連接。常用支架主體材料均選用Q345B，其抗拉強(qiáng)度約470～630 MPa，屈服強(qiáng)度不小于345 MPa（圖1）。

圖1 電控柜安裝在平臺上

1.2 模型處理與網(wǎng)格劃分

對支架材料進(jìn)行定義時(shí)，需設(shè)置支架的的材料屬性，其中彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，密度ρ為7850 kg/m3。在對模型進(jìn)行前處理的過程中，需去除量級偏小的過渡面圓角、邊圓角，同時(shí)去除相應(yīng)的無關(guān)緊固件。

在本研究中主要對電控柜支架進(jìn)行仿真，分析校核該支架在垂向沖擊、轉(zhuǎn)彎、加速及制動工況安裝連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)，考察支架的模態(tài)特性。

網(wǎng)格劃分時(shí)，為使單元更接近理想形狀，取雅克比率、網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)大于0.8，偏斜系數(shù)和翹曲系數(shù)小于0.2，同時(shí)將縱橫比和翹曲角控制在3:1 和60°以內(nèi)。在控制劃分單元大小時(shí)，利用Relevance 進(jìn)行全局網(wǎng)格調(diào)整，將電控柜主體結(jié)構(gòu)控制在以35 mm 內(nèi)。利用Advanced Size Functions 對重點(diǎn)研究對象，安裝支架的網(wǎng)格單元進(jìn)行細(xì)化，將其大小控制在5 mm 以內(nèi)。網(wǎng)格的疏密度和數(shù)量會對計(jì)算時(shí)長和計(jì)算精度產(chǎn)生影響，應(yīng)根據(jù)承載特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特征合理劃分，最終結(jié)構(gòu)模型共劃分為133 674 個(gè)單元和320 711 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

為模擬電控柜與支架，支架與平臺間螺栓的連接預(yù)緊力，在車體安裝處設(shè)置圓形與邊界凸起區(qū)域，使相關(guān)載荷加載時(shí)更多集中于該區(qū)域，更加接近支架的真實(shí)受力工況。

1.3 約束與載荷的施加

根據(jù)模擬簡化的支架結(jié)構(gòu)，在支架底部與車輛平臺的接口處施加Fix Support 約束，利用Workbench 約束中的Remote Force 功能，在電控柜質(zhì)心處施加相應(yīng)的Force 載荷。為了模擬不同的各典型作業(yè)工況，參照表1 分別施加相應(yīng)的載荷，其中g(shù) 表示車身自重。

表1 模型處理情況

礦用車的典型作業(yè)工況包括裝載、行進(jìn)、舉升卸料3 個(gè)階段。在裝載及舉升卸料過程中，整車工況與運(yùn)動姿態(tài)只是車廂本體相對于車架本體的運(yùn)動，對電控系統(tǒng)支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并無影響，在此不做介紹。本文主要對礦用車在行進(jìn)時(shí)的受到垂向沖擊、轉(zhuǎn)彎、加速及制動4 種非公路典型工況進(jìn)行研究。

（1）為模擬垂直沖擊工況，在垂直方向，由于車輛將受到路面的不平激勵，且沖擊載荷一般為車身自重的3 倍，因而在-Y 方向設(shè)置3 倍載荷進(jìn)行計(jì)算。

（2）為模擬轉(zhuǎn)彎工況，車輛受到自身重力及轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)向力，在-Y、-X 方向分別施加1 倍載荷進(jìn)行分析計(jì)算。

（3）為模擬加速工況，車輛受到自身重力及驅(qū)動力，在-Y、-Z 方向分別施加1 倍載荷進(jìn)行分析計(jì)算。

（4）為模擬減速工況，車輛受到自身重力及制動力，在-Y、Z 方向分別施加1 倍載荷進(jìn)行分析計(jì)算。

各典型工況的約束情況以及力的施加方式如圖2、圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)支架約束情況

圖3 力的施加情況

2 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析及模態(tài)分析

2.1 礦用車各工況結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

垂向沖擊、轉(zhuǎn)彎、加速、制動等典型工況的應(yīng)力分布云圖如圖4 所示。計(jì)算結(jié)果中，默認(rèn)的最大應(yīng)力云圖（紅色區(qū)域）完整覆蓋兩層網(wǎng)格單元，在工程上認(rèn)為此時(shí)的計(jì)算應(yīng)力結(jié)果可取，具有參考價(jià)值。

圖4 應(yīng)力分布情況

通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格劃分越細(xì)，奇異處應(yīng)力越大，呈現(xiàn)不收斂現(xiàn)象。因此，計(jì)算結(jié)果中的最大值的出現(xiàn)明確為應(yīng)力奇異現(xiàn)象，可忽略不計(jì)。其余部分的應(yīng)力最大值均小于Q345B 材料的屈服強(qiáng)度，且安全裕量較大，故從結(jié)構(gòu)靜力學(xué)角度分析，材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足使用要求。

2.2 模態(tài)分析

在礦用車作業(yè)過程中，由于長時(shí)間受到路面垂直激勵與其他激勵等的影響，電控系統(tǒng)支架等相關(guān)組件極有可能受到共振，從而產(chǎn)生一定噪聲，并有可能使電控系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，影響電控系統(tǒng)的使用壽命。因此，有必要對電控柜支架進(jìn)行模態(tài)分析。

在工程上，通常認(rèn)為機(jī)械部件的動態(tài)優(yōu)化與動力特性振動分析的常用方法為模態(tài)分析。在確定了結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件的前提下，將結(jié)構(gòu)的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣及阻尼矩陣表示出來，最終確定系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的固有頻率、阻尼系數(shù)與模態(tài)振型，從而描述系統(tǒng)的動力學(xué)特性。

礦用車的基振來源十分復(fù)雜。發(fā)動機(jī)基振是整車振動的重要來源之一，其中包括活塞在做功沖程中氣體爆炸所產(chǎn)生的點(diǎn)火振動，即由燃燒力產(chǎn)生的脈沖，在氣缸恢復(fù)正常后會產(chǎn)生一部分的自然振動；此外還包括發(fā)動機(jī)附件（如正時(shí)皮帶、配氣機(jī)構(gòu)等部件）在工作時(shí)產(chǎn)生的振動以及進(jìn)、排氣系統(tǒng)在氣體流通時(shí)由于氣流壓力與氣體波動所產(chǎn)生的流體源振動。發(fā)電機(jī)、電阻柵以及散熱系統(tǒng)風(fēng)扇的往復(fù)周期性運(yùn)動，也會產(chǎn)生較為低頻的振動。

來自于礦山路面的不平激勵也是整車振動的一大來源。路面不平度和車速形成了對汽車振動系統(tǒng)的“輸入”，此“輸入”經(jīng)過由輪胎、懸架、減振墊等彈性、阻尼元件和懸掛、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成的振動系統(tǒng)的傳遞，得到振動系統(tǒng)的“輸出”是懸掛質(zhì)量進(jìn)一步傳到相應(yīng)部件的加速度。在礦用車系統(tǒng)中，由于輪胎的彈性特性與整車油氣懸掛的匹配，地面?zhèn)鬏數(shù)狡脚_上相應(yīng)部件的激勵大多已被吸收，因此本文將不再對路面不平激勵進(jìn)行贅述。

許多NVH 問題與發(fā)動機(jī)系統(tǒng)有關(guān)。發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生自然振動，如果有任何一個(gè)部件輕微失衡，其自然振動就會立刻加劇。發(fā)動機(jī)的振動通常由自身的基礎(chǔ)頻率、支座及發(fā)動機(jī)附屬部件等原因引起。所有發(fā)動機(jī)都有固有的一階振動，也會因振動頻率而產(chǎn)生振動。點(diǎn)火頻率是指每次氣缸燃燒時(shí)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的力。燃燒的力量產(chǎn)生一個(gè)脈沖，隨著氣缸排列整齊，自然振動產(chǎn)生。發(fā)動機(jī)承受的負(fù)荷越高，振動頻率越明顯，當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)干擾正常燃燒循環(huán)的問題時(shí)振動也會增加。

本文主要研究發(fā)動機(jī)基振所產(chǎn)生的振動。一般情況下，發(fā)動機(jī)基振頻率。其中，點(diǎn)火間隔角為曲軸每轉(zhuǎn)兩周（即720°）與發(fā)動機(jī)氣缸數(shù)的比值，單位為°；發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速單位為r/min，60 s=1 min。

該車型采用16 缸4 沖程發(fā)動機(jī)，其怠速轉(zhuǎn)速為600 r/min，正常工作轉(zhuǎn)速1400～1900 r/min。通過理論計(jì)算可得，怠速激勵頻率為80 Hz，正常轉(zhuǎn)度約1400～1900 r/min，頻率范圍為187～253 Hz。

圖5 為該電控柜安裝支架模態(tài)分析的前6 階模態(tài)頻率，顯示該支架的固有頻率不會與發(fā)動機(jī)在怠速或正常工作下的頻率重疊，因此初步分析不會發(fā)生共振現(xiàn)象。從模態(tài)角度分析，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)處于合理狀態(tài)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式可取。

圖5 前6 階模態(tài)頻率

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)通常采用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算精度難以保證且準(zhǔn)確度不高，在設(shè)計(jì)過程中容易造成質(zhì)量冗余或削弱。而有限元分析方法的引入，能夠有效解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的邊界條件設(shè)置與受力加載問題，同時(shí)分析支架模態(tài)頻率范圍，避免共振現(xiàn)象，從而得到較為可靠的支架結(jié)構(gòu)單元。本文通過對電控系統(tǒng)安裝支架進(jìn)行典型作業(yè)工況下的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析以及約束模態(tài)分析，考察支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，在一定程度上為設(shè)計(jì)工作提供參考。