礦用無軌車正弦路面激勵(lì)仿真研究

伍生宏， 饒俊良,2,3

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇常州 213023；2.南昌礦山機(jī)械研究所，南昌 330013；3.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

礦用工程車主要用于現(xiàn)代化煤礦無軌輔助運(yùn)輸，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)輸效率高等特點(diǎn)。礦井道路與路面道路不同，井下工況惡劣，道路經(jīng)常坑洼不平、顛簸起伏，在這樣的道路工況條件下，礦用工程車在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與路面車輛有較大不同，主要是要求在礦井道路上滿載運(yùn)輸具有一定的可靠性和安全性，也要有一定的結(jié)構(gòu)壽命。在實(shí)際車輛使用中，一些受力較大的車架部位容易發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、撕裂等損壞，所以需要在設(shè)計(jì)階段通過虛擬樣機(jī)仿真分析出各連接部位的受力情況。

1 建模理論

礦用工程車作為一種車輛，既包含車架、各種箱體等剛性體，又包含輪胎、板換、減震墊等柔性體。傳統(tǒng)的剛性體一體式建模不能滿足這種復(fù)雜多體的仿真，需要建立剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)模型來進(jìn)行仿真分析。

多剛體系統(tǒng)是由多個(gè)剛性體連接組成的，各個(gè)組合剛體之間具有一定的約束和連接關(guān)系，各組合剛體可以在受力時(shí)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。多柔性體系統(tǒng)可以采用離散法和有限元法等對(duì)柔性體進(jìn)行分析，根據(jù)柔性體的不同，可能得到不同的動(dòng)力學(xué)方程。將它們結(jié)合起來，即可組成一個(gè)剛?cè)狁詈系亩囿w系統(tǒng)。ADAMS軟件所導(dǎo)出的機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程如下所示：

式中：T為系統(tǒng)的動(dòng)能；Q為廣義力列陣；q為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)列陣；μ為對(duì)應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣；ρ為對(duì)應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣。

2 路面激勵(lì)仿真

根據(jù)煤礦道路情況的特點(diǎn)，選用最為接近的正弦起伏顛簸路來進(jìn)行行駛路面激勵(lì)仿真。定義正弦路面波長(zhǎng)為300 mm，幅度為20 mm。在仿真設(shè)置中，車輛行駛定義為：停車起步，再加速到二擋18 km/h。車輛行駛的驅(qū)動(dòng)方式設(shè)置為4個(gè)車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，仿真時(shí)間為6 s，仿真步長(zhǎng)為150。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)方程為

選取車輛10個(gè)主要的結(jié)構(gòu)連接部位：燃油箱、廢氣處理箱、補(bǔ)水箱、散熱器、柴油機(jī)及變矩器、變速箱、人及座椅、液壓油箱、氣包、車廂及貨物為動(dòng)態(tài)受力的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，具體質(zhì)量參數(shù)見表1。

礦用工程車虛擬樣機(jī)在正弦路面激勵(lì)下的仿真建模如圖1所示。

圖1 正弦路面虛擬樣機(jī)仿真圖

3 仿真結(jié)果及分析

仿真之后，得到10個(gè)部件與車架動(dòng)態(tài)受力的變化曲線，見圖2～圖11所示。

從曲線圖可以看出滿載時(shí)正弦路面激勵(lì)下各部件給車架的載荷是呈波形動(dòng)態(tài)變化的，根據(jù)路面給于激勵(lì)的不同而不同，這也和車輛實(shí)際行駛在坑洼路面的顛簸相符。各部件的動(dòng)態(tài)載荷峰值仿真結(jié)果見表1。

圖2 燃油箱與車架作用力曲線圖

圖3 廢氣箱與車架作用力曲線圖

圖4 補(bǔ)水箱與車架作用力曲線圖

圖5 散熱器與車架作用力曲線圖

圖6 柴油機(jī)及變矩器與車架作用力曲線圖

圖7 變速箱與車架作用力曲線圖

圖8 駕駛員及座椅與車架作用力曲線圖

圖9 液壓油箱與車架作用力曲線圖

圖10 氣包與車架作用力曲線圖

圖11 車廂及貨物與車架作用力曲線圖

表1 各連接部件的質(zhì)量與仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可知，安裝在前車架上的燃油箱、廢氣處理箱體、散熱器、人及座椅載荷倍數(shù)較大，大約為2.5左右。這些部件與車架的連接屬于剛性連接，而且它們?cè)谲囕v中的安裝位置受前后車架鋼板彈簧及輪胎減震的影響較小，在路面顛簸激勵(lì)下，連接處動(dòng)態(tài)載荷倍數(shù)較大。

安裝在前輪上部車架位置的補(bǔ)水箱、安裝在前橋兩前輪之間的柴油機(jī)及變矩器載荷倍數(shù)較小，為1.4。它們?cè)谲囕v中的位置位于減震效果較好的鋼板彈簧及輪胎正上正中部，能借助這些柔性體的減震減少動(dòng)態(tài)載荷。

安裝在車輛中部的變速箱、氣包，安裝在后車架上的車廂及貨物載荷倍數(shù)約為2左右。這些部件主要居于車輛中部，減震效果尚好。

從仿真結(jié)果整體上看，可以認(rèn)為礦用無軌車在正弦路面激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)受力最大值為靜態(tài)受力的3倍。實(shí)際車輛裝配工藝中，可以考慮與車架剛性連接部位增加橡膠墊，同時(shí)，需根據(jù)載荷倍數(shù)結(jié)果適當(dāng)增加車架連接處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證車輛滿載行駛時(shí)車架的可靠性。

4 結(jié)語

根據(jù)礦用無軌車的實(shí)際工況，建立了基于正弦路面激勵(lì)的礦用無軌車虛擬樣機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)態(tài)仿真模型，通過動(dòng)態(tài)仿真，得到車架承載處的動(dòng)態(tài)載荷變化，分析了各部件在正弦路面激勵(lì)下對(duì)車架結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響，為車輛整體布局、車架可靠性及車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1] 胡曉輝,饒俊良,陳毅培.基于虛擬樣機(jī)的防爆膠輪車輕量化研究[J].煤礦機(jī)械,2014,35(6):58-60.

[2] 鐘勛,饒俊良.基于虛擬樣機(jī)的防爆鏟運(yùn)機(jī)前機(jī)架有限元分析研究[J].煤礦機(jī)械,2014,35(4):98-99.

[3] 饒俊良,汪達(dá)勇.防爆膠輪車傳動(dòng)橋擺動(dòng)架有限元分析[J].機(jī)械工程師,2015(9):90-91.

[4] 饒俊良,汪達(dá)勇.防爆工程車剛-柔耦合虛擬樣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械工程師,2015(2):146-147.

[5] 師江,吳昊天,王俊元,等.某礦用防爆膠輪車架模態(tài)分析[J].煤礦機(jī)械,2011,32(7):74-76.

[6] 曾志強(qiáng),王俊元,馬維金,等.礦用防爆膠輪車動(dòng)態(tài)應(yīng)力數(shù)值模擬研究[J].煤礦機(jī)械,2011,32(7):30-32.

[7] 石濤.鉸接式無軌膠輪車車架動(dòng)態(tài)特性研[J].煤礦機(jī)械,2013,34(5):79-81.

[8] 曾志強(qiáng),馬維金,王俊元,等.防爆膠輪車車架輕量化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(12):19-21.

[9] 肖登紅,王俊元,曾志強(qiáng),等.防爆膠輪車動(dòng)態(tài)特性研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2011,18(2):23-27.

[10] 萬志帥,吳昊天,李曉,等.基于ADAMS和ANSYS的防爆膠輪車車架的仿真分析[J].礦山機(jī)械,2011,39(8):46-49.

[11] 農(nóng)斌,任家駿,楊振聲,等.基于ANSYS的鉸接式自卸車車架的力學(xué)分析[J].煤礦機(jī)械,2012,33(8):95-97.

[12] 李曉,吳昊天,王俊元,等.基于HyperWorks的防爆膠輪車結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2011,32(6):43-45.

[13] 盧偉,王俊元,張紀(jì)平.基于TRIZ理論的某防爆膠輪車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2013,34(1):13-15.

[14]曾志強(qiáng),蔡端波,王俊元.礦用防爆膠輪車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)及其靜動(dòng)態(tài)分析[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(3):231-235.

[15]劉林華,辛勇,汪偉.基于折衷規(guī)劃的車架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,30(3):382-385.