一種礦車車箱的多種輕質(zhì)設(shè)計比較

曲芳 ， 郝帥 ， 張蕊

（1.黑龍江科技大學(xué)工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實驗中心，哈爾濱150022；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150027；3.黑龍江省社會科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心，哈爾濱150012；4.哈飛模具股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，哈爾濱150060）

0 引言

礦車是礦井的主要運(yùn)輸和提升設(shè)備之一，從狹義上指運(yùn)輸煤炭（或礦石）及矸石的車輛［1］。對于主要裝運(yùn)煤矸石的礦車，車箱是其直接容納貨載的部分，因此礦車車箱在結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，自身質(zhì)量越小越好，以提高運(yùn)輸、提升的效率。而減輕容器自重的重要途徑是通過剛度強(qiáng)化的方式，獲得輕質(zhì)車箱同時，還可以得到優(yōu)良的性能參數(shù)。文中以1 t固定式礦車車箱為研究對象，針對滿載矸石礦車組在平巷軌道制動碰撞這一工況，利用ANSYS建立車箱模型，并進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析，得出重車組最后一輛礦車車箱的受力情況。在危險工況下通過減薄車箱壁厚至4 mm，并增加不同位置的局部加強(qiáng)角鋼來實現(xiàn)車箱的輕質(zhì)化，比較這4種局部加強(qiáng)方式的減重效果，得出最優(yōu)方案。

1 建立車箱有限元模型

應(yīng)用有限元方法建模分析，這是提高車箱性能，由經(jīng)驗、類比設(shè)計走向動態(tài)建模、虛擬設(shè)計的一個必由之路。隨著有限元方法和計算技術(shù)的發(fā)展，模型會越來越精確［2］。文獻(xiàn)［3］用殼單元建立載重貨車車箱模型來進(jìn)行優(yōu)化計算，文獻(xiàn)［4］用殼單元模擬汽車車身連接件建模，并在建模技術(shù)及其應(yīng)用上取得了很大的進(jìn)展。文中對于Q235材料4.5 mm壁厚的1t固定式礦車車箱各面也采用殼體4節(jié)點shell63單元來建立幾何模型并進(jìn)行有限元分析，利用殼體單元建立的礦車車箱幾何模型如圖1所示。建模中，忽略了排水孔、車箱凸棱和倒角。車箱各面設(shè)為Shell 63單元，殼體厚度4.5 mm。將車箱上口的角鋼和包邊鐵簡化為Beam 188梁單元，共4根。其中2根短梁尺寸50mm×50 mm×860 mm，2根長梁尺寸 50 mm×50 mm×1 560 mm。與車箱圓弧底板連接處的車架梁異形槽鋼簡化為Beam 4梁單元，共2根，尺寸50 mm×50 mm×1 560 mm。

圖1 礦車車箱幾何模型

對各個面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。共得到20 830個節(jié)點，1 654個單元。車箱分網(wǎng)模型如圖2所示。

2 施加載荷和位移約束

針對電機(jī)車牽引滿載矸石的重車組，在平巷軌道上制動碰撞時，最后一輛礦車4.5 mm壁厚的Q235材料車箱受力情況：

圖2 車箱分網(wǎng)模型

1）在梁單元節(jié)點上施加位移約束。在由異形槽鋼簡化的兩根梁一端節(jié)點19、節(jié)點23上施加ALL DOF方向的位移約束，而在另一端節(jié)點17、節(jié)點18上施加UX、UY、ROTX、ROTY方向的位移約束。

2）在梁單元節(jié)點上施加集中力載荷。沿著礦車運(yùn)行方向上受到的合力通過連接器作用在車架上并通過車架與車箱焊接位置處的兩根異形槽鋼傳遞給車箱，將異形槽鋼屬性設(shè)置成特殊截面形狀的梁單元，因此作用在每根梁單元一端節(jié)點17、節(jié)點18上的集中力大小為28 059.5 N，方向為-Z向。

3）在車箱圓弧底板殼體單元節(jié)點上施加集中力載荷。所有面劃分完網(wǎng)格之后，將車箱內(nèi)滿載的矸石質(zhì)量1800kg對于車箱圓弧底板的垂直方向的壓力以-Y方向的集中力形式分別施加在圓弧底板分網(wǎng)后的各個節(jié)點上。

4）在車箱各面殼體單元上施加均布力載荷。將貨載下滑力及慣性力產(chǎn)生的壓強(qiáng)63 577.9 Pa，以均布載荷的形式作用在車箱前端板。貨載對車箱端板和側(cè)壁產(chǎn)生的水平方向的壓力以均布載荷的形式作用在車箱各面。各面所在位置處的均布載荷的方向在施加的時候以圍成面的線滿足右手螺旋法則為正，反之為負(fù)。

3 求解計算與應(yīng)力分析

求解計算并顯示應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。圖中最大變形量DMX為1.062×10-3m，最大應(yīng)力SMX為104 MPa。車箱最大應(yīng)力值出現(xiàn)在施加約束的節(jié)點17、節(jié)點18、節(jié)點19和節(jié)點23處。

圖3 壁厚4.5 mm車箱制動碰撞時節(jié)點應(yīng)力云圖

車箱材料Q235為熱軋厚鋼板，許用應(yīng)力［滓11］W=195.8MPa，顯然 SMX＜［滓11］W，故 4.5 mm 壁厚的 Q235 材料車箱滿足強(qiáng)度要求。

現(xiàn)將車箱壁厚由4.5 mm減薄至4 mm，求解計算并顯示應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。圖中最大變形量DMX為1.459×10-3m，最大應(yīng)力SMX為119 MPa。顯然SMX＜［滓11］W，故4 mm壁厚的Q235材料車箱滿足強(qiáng)度要求。但最大變形量DMX為1.459×10-3m＞1.062×10-3m，較原車箱剛度有所減弱。

圖4 壁厚4 mm車箱制動碰撞時節(jié)點應(yīng)力云圖

4 車箱剛度強(qiáng)化方案及比較選用

減薄車箱壁厚至4 mm后，車箱剛度有所減弱。為了增加其剛度，采用四種局部加強(qiáng)的方案，即在車箱四周4處不同位置加焊等邊角鋼，增加車箱剛度同時，減輕自身質(zhì)量。由車箱上口開始起向-Y方向，量取0.143 4 m的位置設(shè)為位置1；量取0.286 8 m的位置設(shè)為位置2，量取0.430 2 m的位置設(shè)為位置3，量取0.573 6 m的位置設(shè)為位置4，具體如表1所示。

表1 車箱剛度強(qiáng)化方案表

方案一至方案四的車箱分網(wǎng)模型如圖5～圖8所示。

再應(yīng)用ANSYS軟件對車箱在典型工況下的應(yīng)力和變形進(jìn)行對比分析，對于不同方案的車箱進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核，并對減重效果進(jìn)行比較，從而確定車箱最優(yōu)的減重方案。對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一至方案四進(jìn)行有限元分析，校核車箱的強(qiáng)度和剛度。為便于比較，假設(shè)車箱壁厚減薄至4 mm的受力情況與壁厚為4.5 mm時相同。有限元分析結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖5 方案一車箱分網(wǎng)模型

圖6 方案二車箱分網(wǎng)模型

圖7 方案三車箱分網(wǎng)模型

圖8 方案四車箱分網(wǎng)模型

圖9 方案一節(jié)點應(yīng)力云圖

圖10 方案二節(jié)點應(yīng)力云圖

Q235材料4 mm壁厚車箱加焊局部加強(qiáng)角鋼后四種方案結(jié)果分析對比表如表2所示。

綜上所述，4種減重方案車箱的強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，且不與礦車結(jié)構(gòu)中的其它部件如碰頭座等發(fā)生干涉。采用方案一或方案二的礦車車箱，減輕的質(zhì)量均較多，減重效果較好。綜合考慮各方面因素，建議采用方案一或方案二來替換原4.5 mm壁厚的礦車車箱。

圖11 方案三節(jié)點應(yīng)力云圖

圖12 方案四節(jié)點應(yīng)力云圖

表2 Q235材料4 mm壁厚車箱加焊角鋼后分析對比表

5 結(jié)語

對于Q235材料4.5 mm壁厚的礦車車箱，在滿載矸石礦車組的平巷軌道上制動碰撞，這一工況下進(jìn)行有限元分析。在原車箱壁厚4.5 mm基礎(chǔ)上，通過比較四種剛度強(qiáng)化方案，使其滿足使用要求并分析減重效果，最終確立了礦車車箱的最優(yōu)加強(qiáng)方案。對礦用車輛的輕質(zhì)問題進(jìn)行了有益的探討，為輕質(zhì)化礦車的實用性設(shè)計奠定前期的理論基礎(chǔ)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］徐文娟，曲芳，楊德生，等.1 t固定式礦車車箱受力變形的有限元分析［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2011（7）：293.

［2］謝軍，陳南，翟羽建，等.IVECO40-10輕型客車車架建模與動態(tài)特性分析研究［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，1999，16（3）：136-138.

［3］HUANG J.A new approach for weight reduction in truck frame design［J］.Trans SAE.Paper 933037，1993（6）：959-967.

［4］NIKOLAIDIS E.Translator for design guidance of joints in automotive structures［M］.Paper 951109，1995（4）：2010-2019.