矿井重型车辆铰接销轴动态有限元分析

罗 剑

（宝钢集团 梅山矿业有限公司，江苏 南京 210041）

0 引言

井下无轨胶轮设备在近十几年中得到了长足发展，为了保证这些设备在巷道中的灵活性，多数采用了中间铰接的结构形式，例如金属矿山中以SANDIVK、ATLAS公司为代表的铲运机、NORMET公司的多功能车，煤矿中以DBT公司为代表的FBL40和MH－40铲板式支架搬运车、平板拖车式支架搬运车等。铰接销轴是该类设备的主要薄弱点，本文重点分析研究该类铰接车辆在平坦、颠簸两种不同路面上运行时铰接销轴的受力情况，通过有限元分析计算销轴应力的变化规律，为其国产化提供一些设计参考。考虑到国产化无轨设备在国内煤矿中被广泛接受，具有一定市场潜力，因此本文以DBT公司的FBL40铲板式支架搬运车为例进行分析。

1 FBL40板式搬运车结构及工作原理

FBL40板式搬运车自重40t，满载载荷40t。车身主要由铲板、前机架、后车架三部分组成，如图1所示。铲板为板梁焊接结构，是搬运、承载支架的工作装置。前机架设计为整体承载式焊接结构，在前端与铲板根部铰接，前、后机架通过铰接销轴可以相对做一定角度范围内的转动；后机架为钢板焊接结构，承载着动力源。

2 铰接部结构及铰接销轴模型

FBL40铲板式搬运车采用上、下两个铰接销轴连接前、后机架，前、后机架通过转向油缸推拉作用，绕铰接销轴旋转一定角度实现转向功能，表1给出了铰接销轴的几何尺寸及所用材料特性，图2为铰接结构及铰接销轴模型。

图1 板式搬运车整车结构布置图

表1 销轴几何尺寸及材料力学特性

图2 铰接结构及销轴三维模型

3 铲板式搬运车计算模型的建立

3．1 模型材料的定义

上、下铰接销轴材料均为40Cr，因此在建立销轴三维模型时定义其材料为40Cr。

3．2 三维模型的建立与导入

销轴CAD模型是在AutoCAD软件中建立的，将CAD模型转成stp文件，再导入有限元软件中。单位系统选用kg、ms、mm。根据零件自身结构特征，选择相应有限元单元——体单元，合理地建立其有限元模型。

3．3 计算工况的选择

搬运车通常在大巷中行驶，其路面状况与地面工程机械基本相似。根据要求，选择满载情况下整车在搓衣板和平坦路面行驶这两种工况对其铰接销轴的受力情况进行分析。

3．4 定义接触

对与铰接销轴相对运动的连接部件定义接触，在有限元软件中设置接触类型，定义一般的接触摩擦系数为0．3（静摩擦系数）。

3．5 定义边界条件

重力始终作用在模拟过程中，定义重力效果。车辆要在路面上行驶，故必须定义初始速度，其次是定义车轮的转速。

3．6 定义求解时间和输出文件

定义求解时间为400ms，输出的频率为5ms一次。设定沙漏控制等，以提高计算精度。

至此，有限元模型建立完成，下面就整车在搓衣板路面和平坦路面运行工况下对铰接销轴分别进行计算分析。

4 在平面路面上搬运车铰接销轴强度分析

搬运车在普通平面路面上满载情况下以18km／h的车速行驶时，中间铰接销轴是连接前、后车架的关键部位，工况比较恶劣，该处承受的更多的是弯曲力矩等作用。图3为上销轴等效应力云图和单元等效应力时间历程曲线，从图3中看出，在这个时刻整体最大应力已接近80MPa。图4为下销轴的等效应力云图和单元等效应力时间历程曲线，在这个时刻整体最大应力已接近150MPa，其中11 066 680单元是这个零件上应力较大单元。

图3 平面路面上销轴等效应力云图和单元等效应力时间历程曲线

销轴的材料为40Cr，屈服强度为540MPa。从图3和图4中铰接销轴的单元等效应力时间历程曲线可以看出，车辆在平面路面行驶时两个铰接销轴均符合强度要求。

5 在搓衣板路面上搬运车铰接销轴强度分析

当搬运车在搓衣板路面上满载情况下（铲板铲运40t支架）以18km／h的车速行驶时，对其中间铰接销轴的应力强度进行分析。图5为上销轴的等效应力云图和单元等效应力时间历程曲线，从图5中看出，在这个时刻整体最大应力已接近400MPa，其中单元13 469 059是这个零件上应力较大单元。图6为下销轴的等效应力云图和单元等效应力时间历程曲线，在这个时刻整体最大应力已接近260MPa，其中单元11 066 680是这个零件上应力较大单元。

图4 平面路面下销轴等效应力云图和单元等效应力时间历程曲线

图5 搓衣板路面上销轴等效应力云图和单元等效应力时间历程曲线

图6 搓衣板路面下销轴等效应力云图和单元等效应力时间历程曲线

销轴的材料为40Cr，屈服强度为540MPa。从图5和图6中铰接销轴的单元等效应力时间历程曲线可以看出，车辆在搓衣板路面行驶时两个销轴同样满足强度要求。

6 结束语

通过对两种路面工况的计算分析，我们可以看到搬运车的上、下铰接销轴设计时确定的几何尺寸以及所选材料均能较好地满足使用要求，铰接销轴的等效应力均没有超过材料的屈服极限。

［1］ 傅志方．振动模态分析与参数辨识［M］．北京：机械工业出版社，1990．

［2］ 李晧月．ANSYS工程计算应用教程［M］．北京：中国铁道出版社，1995．