大型礦用自卸車后橋殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和設(shè)計

修孝廷，王 勇，董 磊，王道明

（徐州徐工礦山機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

大型礦用電傳動自卸車（簡稱礦車）用于露天礦山、大型水利工程等，承擔(dān)著世界40%的煤、90%的鐵礦石的礦區(qū)運(yùn)輸，市場巨大。但礦用自卸車具有技術(shù)復(fù)雜、價值量高、制造難度大的特點(diǎn)，全球僅有卡特彼勒、小松、日立和利勃海爾等幾家工程機(jī)械巨頭具備成熟的設(shè)計制造能力。礦車頻繁的啟動、制動和轉(zhuǎn)向，除了大負(fù)荷、大地面沖擊外，其工作條件相當(dāng)惡劣。電傳動礦用自卸車大型復(fù)雜承載構(gòu)件強(qiáng)、剛度分析及優(yōu)化技術(shù)被列為2014年度國家《重大技術(shù)裝備自主創(chuàng)新指導(dǎo)目錄》中，需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。在此類礦車后橋殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，設(shè)計人員主要結(jié)合自身經(jīng)驗并采用經(jīng)典彈性力學(xué)理論，對礦車后橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和校核，并通過在礦山的實(shí)地工作來驗證是否滿足設(shè)計要求，因此這種的研發(fā)過程不僅效率低、投入大，并且無法獲得最優(yōu)的結(jié)果[1，2]。

表1 徐工XDE240整車技術(shù)參數(shù)

有限元法是一種用有限元法分析靜態(tài)或動態(tài)物體的數(shù)值分析方法，具有較高的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用[1，2]。本文以徐工XDE240電傳動礦用自卸車為研究對象，表1[3]，對承載構(gòu)件自卸車后橋殼進(jìn)行復(fù)雜工況下的計算分析，從結(jié)果中可以分析出后橋殼的應(yīng)力集中點(diǎn)[1]。

1 ADAMS模型

圖1 礦用自卸車整車虛擬樣機(jī)模型

為了獲取較為真實(shí)的礦用自卸車后橋殼各個鉸點(diǎn)的作用力，本文建立了礦用自卸車整車虛擬樣機(jī)模型，如圖1，可以在物理樣機(jī)未制造之前仿真礦用自卸車各個工況，進(jìn)而計算出各個工況下懸掛連接處的作用力。

2 后橋殼有限元分析

后橋殼總成如圖2由橫拉桿1、橋殼2、后懸掛支座3、門4、橫拉桿支座5、限位塊6、三角架7、三角架軸承座8和風(fēng)道9等部分組成。礦車后橋殼兩邊通過螺栓與輪邊減速機(jī)的二級行星架相連接，為了增強(qiáng)后橋殼的強(qiáng)度和剛度，通常在后橋殼內(nèi)部焊接各種形式的加強(qiáng)筋，如軸向、環(huán)向、軸和環(huán)組合形式等。

圖2 后橋殼總成構(gòu)造

后橋殼總成可使用CAD商業(yè)軟件（如PRO/E）進(jìn)行三維建模，有限元仿真計算可使用CAE商業(yè)軟件（如ANSYS）進(jìn)行分析計算。在有限元模型中，刪除后橋殼總成上的小孔、倒角、圓角、坡口和凸臺等具體結(jié)構(gòu)特征及一些對分析結(jié)果影響不大的支座及螺紋座等零件。礦車后橋殼主要由鋼板和鑄件組成，鋼板結(jié)構(gòu)在厚度方向尺寸上遠(yuǎn)小于長度和寬度方向的尺度，建立一個中型面來近似后橋殼的幾何性質(zhì)，采用shell單元；所有的鉸接點(diǎn)支座使用幾何實(shí)體模型，采用solid單元[1]，如圖3所示。

圖3 礦用自卸車后橋殼加載模型

3 結(jié)構(gòu)有限元方程

本研究中，利用達(dá)朗貝爾原理，通過準(zhǔn)靜態(tài)地分析動態(tài)事件，對后橋殼的應(yīng)力情況進(jìn)行數(shù)值分析。以下采用變分法中的Hamilton原理推導(dǎo)有限元基本方程：

式中：[M]為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量矩陣；[C]為總阻尼矩陣；[K]為總剛度矩陣；[Q]為總體力系數(shù)矩陣；[H]為總面外力系數(shù)矩陣；[U]為結(jié)構(gòu)總位移矩陣；當(dāng)外力項{F}、{p}、{Fc}均為零時，則式（1）變?yōu)榍蠼饨Y(jié)構(gòu)振動模態(tài)方程：

4 運(yùn)行工況

本文充分考慮礦車后橋殼總成面臨的惡劣工況后，選取滿載正常運(yùn)行工況作為分析實(shí)例，由于該車自制170t，載重230t，因此忽略空載工況，僅對滿載工況進(jìn)行仿真計算；根據(jù)不同的工況可對約束進(jìn)行調(diào)整，以保證仿真結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。此時后橋殼約束為輪邊A處固支，后懸掛C、D處分別加載的力（考慮3倍的動載荷），三角架軸承座B和橫拉桿支座E處分別加載力。經(jīng)過計算得知，在該工況下后橋殼應(yīng)力主要集中在后懸掛支座處，最大應(yīng)力為313.8MPa。后橋殼所受最大應(yīng)力距其屈服極限仍有1.5倍以上的安全系數(shù)，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文通過對徐工XDE240自卸車后橋殼進(jìn)行簡化與分析，建立出該后橋殼的有限元模型，并采用有限元法對自卸車后橋殼在滿載正常行駛的工況下進(jìn)行仿真分析，計算出后橋殼應(yīng)力分布，并從分析結(jié)果中得出此工況下后橋殼的應(yīng)力集中點(diǎn)，為礦車后橋殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)，使后橋殼體的力學(xué)性能能滿足設(shè)計要求。結(jié)果表明，后軸殼的最大應(yīng)力小于后軸殼材料的屈服強(qiáng)度，其安全系數(shù)大于1.5倍，滿足設(shè)計要求。