基于井下胶轮车车架的动态应力研究

许宏宇 刘天生 王宏宇 窦雪

【摘要】井下工作环境有限的情况下对矿用防爆胶轮车车架强度的要求较高，首先建立矿用胶轮车的多体动力学模型，然后选取与井下较为相似的路面进行仿真，得到不同激励下的峰值。建立矿用胶轮车的有限元模型对胶轮车前车架与后车架进行动态应力分析，得到车架不同方位的受力情况，通过应力分析可知，车架最大受力为320MP，满足使用要求与车架强度极限，为车架的优化提供了基础。

【关键词】胶轮车;车架;动态应力分析

1.引言

矿用防爆胶轮车是矿井中运输物料以及装备的常用设备，该设备具有转向灵活，操作简易，装载能力较强的有点，使用范围较广泛 [1]。目前在胶轮车车架的设计过程中，多把动载荷系数与车架的静态分析结果作为设计的标准[2]。车体在井下作业时承受的动应力是随时变化的，包括大小及方向，所以这种做法有很大缺陷。为了更好的分析车架质量，笔者通过ADAMS软件建立了多体动力学模型，针对典型的左右颠簸路况进行动力学仿真，获得随机激励下的峰值力。并用有限元法在ANSYS软件中对车架进行动态应力分析，找到其应力分布情况以及结构受力较危险区域，对车架的结构优化设计提供了基础。

2.胶轮车的建模及仿真

2.1 多体动力学模型的建立

首先根据胶轮车的设计尺寸采用Solidworks软件建立胶轮车主车架的CAD模型，然后将其导入到ADAM中，并在ADAM中直接建立其他部件的模型并按照实际的装配方式装配起来。车体模型如图1。路谱模型的建立：实验选择具有代表性的矩形坑路面。针对实际的作业情况建立路谱文件，主要参数如下：左轮经过正弦路面，右轮经过余弦路面，两种路面间平路距离为35mm。两种路面的波长均为1300mm，振幅为38mm，仿真时间为20s，步长2000mm，其有效时间约为12～20s。设定好各项参数后进行仿真实验。

图1 矿用胶轮车模型

2.2 仿真结果分析

实验结束后，提取各部件连接处的载荷曲线。图2为主车架与驾驶操纵连接处的载荷曲线。表1为各部件与主车架连接处峰值时间以及峰值大小。从图2可以看出，动态峰值与竖直方向上的峰值力大小十分接近，y方向上的峰值力为主力，x和z方向上的力对主车架的影响很小。所以，在对主车架动态应力分析过程中可以用峰值力来代替y方向上的峰值力。

3.车架的动应力分析

3.1 建立有限元模型

为了得到更好的网格划分效果，在建立车架模型时可省去一些对实验结果影响很小的部分倒角和微小结构。在软件Solidworks中建立好车架模型，然后将简化的车架模型以Parasolid的格式导入到软件Ansys中。划分网格时，应该同时确定计算精度和计算规模这两方面因素。采用自由网格划分，确保计算精度，通过分析前车架精度选为5级，后车架精度选为7级。然后坐标系的选取，X轴为车体行驶的方向，Y轴为垂直于车架表面的方向，Z轴为与纸面互相垂直的方向[3]。

图3 胶轮车车架动态分析云图

3.2 动态应力分析结果

因為此次动态应力分析属于非线性分析，所以应首先设置好其相关的参数，然后提交计算。其中载荷子步数为5，求解时间设为50s。求解完成后车架的应力分布图如图3所示。其中车架材料选为16Mn合金钢，失效形式多为塑性屈服，在进行应力分析时主要采用第四强度理论来进行分析，因为其主要考虑了主应力的影响而且对塑性屈服也有很好的描述[4，5]。

由动态应力分析可知：

在通过矩形坑路谱时，前车架峰值力为320MP，后车架峰值力为170MP。虽然在实验过程中，各部分的峰值力出现时间各不相同，但主车架上最大应力为320MP，小于车架选用材料的许用应力值420MP。而且在实验中可以发现各部分最大应力值出现的时间很短，约为0.2s。针对以上实验结果，发现各部位的应力要远小于车架材料的许用应力值420MP，所以车架的结构设计合理。

4.结论

笔者以某矿用防爆胶轮车作为研究对象，根据其井下巷道工作环境的特点，通过ADAMS软件建立了车体的多体动力学模型并针对矩形坑路面进行动态仿真实验，获得了各部件随机激励下的峰值力。在ANSYS软件中建立有限元计算模型，用有限元法对主车架进行了动态应力分析。通过实验分析可知，车架最大受力为320MP，满足车架强度要求，该胶轮车结构设计合理，各部件受力情况均满足强度要求。

参考文献

[1]张华.镁合金摩托车车架的强度分析[P].长春：吉林大学，2008.

[2]曾发林，李德华，范嫦娥.某车架有限元建模及仿真研究[J].制造业自动化，2012，34（2）：103-106

[3]阳清泉，谷正气，米承继.SF33900型矿用自卸车车架疲劳寿命分析[J].汽车工程，2012，34（11）：1015-1019.

[4]闫振华.矿用自卸车车架静态及动态应力数值模拟研究[P].长春：吉林大学，2007.

[5]魏占红，林都.某矿用防爆胶轮车轻量化设计研究[J].矿山机械，2011，39（3）：21-25.

作者简介：许宏宇（1988—），男，山西朔州人，中北大学化工与环境学院在读研究生。