15t地下运矿车车架设计及有限元分析

肖长+彭亚雄

摘要：以15t运矿车车架为研究对象，应用三维软件Pro/E建立前后车架实体模型，在确定载荷的简化和施加方法后，利用有限元分析研究前后车架的应力和变形情况，确定了前后车架的最大应力值。

关键词：地下运矿车；车架；有限元分析

15t地下运矿车的行走系统由车架、驱动桥、车胎与轮毂等组成。由于运矿车在松软或碎石场地等恶劣环境下行驶及重负荷下作业，因此要求行走系统各部件要有很高的强度与刚度。车架作为安装基体将动力系统、传动系统、行走系统、电控、液压、润滑系统等组装成一个有机整体，同时还承受运矿车各总成的质量及各种静、动载荷。因此车架的强度和刚度在车辆总体设计中显得至关重要，深入了解车架的强度和刚度是车架结构设计改进的基础。对前后车架进行有限元分析的结果可作为车架结构优化设计参考。

一、15t运矿车车架设计

一）车架设计要求

15t运矿车车架是由一定厚度、焊接性能好的高强度低合金钢板（Q345）焊接而成。要求严格按工艺进行焊接，保证焊缝表面平整，且有足够高度，用X射线探伤检查不允许有气孔或夹渣，尽量由压机成型弯曲钢板，要退火或振動消除应力，加工时要保证加工件精度及位置精度等。

车架的前、后车架通过中间铰接架相连，可围绕中央销轴在水平面内作±40°转动，从而减少地下运矿车的转弯半径；铰接式车架，轴距尺寸加大，对整机的稳定性有所提高；上下两铰接点距离加大，以改善受力状态；同时能在垂直平面内摆转±10°，确保行驶过程中能全轮着地，增强稳定性，加大牵引力，适应恶劣路况。

二）车架三维模型的建立

1、前车架三维模型

前车架有前桥部件与后车架连接的铰接和转向油缸铰接，其上安装有柴油发动机、双变器（液力变矩器和动力换挡变速箱）、液压油箱、净化水箱及驾驶室（如图2）。

2、后车架三维模型

后车架为框式箱形结构，车斗安放在其上，有与前车架连接的铰接和转向油缸铰接，中间安置有举升油缸的铰接（如图3）。

二、有限元分析

结构静力分析是用来计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。同时，结构静力分析还可以计算那些固定不变的惯性载荷以及那些可以近似等价为静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。在本文分析中，外载荷为稳态载荷。

一）有限元分析基本步骤

1、利用Pro/E建立有限元模型，借助有限元分析模块进行有限元分析；2、施加载荷和边界条件进行求解；3、结果评价和分析。

二）前车架有限元分析

前车架主要载荷考虑：车架自重按均布载荷在其支架上进行平均分配，发动机（康明斯）与双变器重量按其悬置的位置进行分配，并按照集中载荷方式处理。油箱等按照其位置进行分配，并按照集中载荷方式处理。并按照集中载荷方式处理。借助Pro/E中进行有限元分析得知：最大应力为σmax=133MPa；前车架的材料为Q345，σs=325MPa；分析结果满足要求。

（三）后车架有限元分析

经分析，满载的运矿车从水平位置开始倾翻时机架受力最大，借助Pro/E对该工况状况进行有限元分析。

1、网格划分

通过网格划分后，共计单元数目12125个，节点个数3998个。

2、设置约束、加载载荷并计算结果

在前后车架的铰接位置及与驱动桥的连接处、车斗与车架的铰接位置、油缸与车架的铰接位置处加上载荷，满载时，物料重量及车斗自重共计19.724t。

油缸支承处和车斗与车架的铰接处力的计算：根据铰接点之间的位置关系及重心位置画出受力示意图（图4），把液压油缸等同于二力杆来确定F2的方向；在Pro/E模型中可确定物料和车斗的重心点位置，故能确定总重力G的方向。依据三力平衡汇交定理可确定F1方向，而后计算得出油缸支承处的力F1=33.4t，车斗与车架的铰接处力F2=30.69t。

加载完成后运行计算结果，结果分析：

油缸支承和车斗铰支座选用20Mn2材料，强度σs≥133MPa，其余材料为Q345，σs≥325MPa；最大应力与最大应变均在油缸支承处，其中最大应力为480Mpa，最大应变为7.52e-5mm，均满足设计要求。其中因为软件网格划分问题，得到的应力和应变值均偏大，应力应变云图如图6、7所示。

三、结束语

通过对前后车架的有限元分析，确定了前后车架处于作业过程中的最大应力位置以及后车架的变形量，结果表明设计的前后车架均满足强度和刚度要求。

参考文献：

[1]高梦熊.地下装载机[M].冶金工业出版社.2011年1月.

[2]张朝晖.结构分析工程应用实例解析[M].机械工业出版社.2008年2月.

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