液压支架铲板车车架强度分析

许联航

(国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司 技术研究院，陕西 神木 719315)

铲板式搬运车主要用来完成支架的铲装、溜槽的运输以及煤机的抬运等作业。目前国内现有液压支架搬运车搬运质量较低、行驶性能及作业安全性较差，因此，研制具有良好工作性能、高可靠性的新型防爆特殊型铲板式搬运车具有重要意义[1，2]。

针对煤矿大采高工作面的不断涌现，液压支架和采煤机等综采设备的重量不断加大，设备搬运任务的日趋紧张的问题，目前国内矿区在井下使用的铲板式支架搬运车多依赖进口，吨位涵盖36t、55t、80t，且进口铲板车存在采购成本高、周期长、售后服务不及时等诸多问题。目前8.8m大采高工作面中使用的液压支架重量近100t，目前国内外最大的电动铲板式支架搬运车载重量只有80t，还没有搬运该型支架的蓄电池铲板式搬运车，已无法满足100t级的液压支架的安装与回撤工作，因此研制了100t级的WXP100防爆特殊型铅酸蓄电池铲板式搬运车。

由于搬运车辆满载时负载大，并且行驶工况复杂，在满载启动、制动及过坑等工况时，容易造成铲板式搬运车铲叉、车架及各连接部位产生危险截面，各部件的载荷状况直接影响其操作性能及可靠性。有限元分析方法在车辆进行静强度分析中使用较为广泛，任筱伟等[3]采用有限元法对货运轨道车辆车体强度进行了分析，并对其结构进行了优化。李石平[4]等对双动力钢轨打磨车中的牵引车和作业车车体进行了静强度有限元分析，并评定是否满足相关标准。史艳民等[5，6]介绍了单轨车转向架构架的三维模型与有限元分析模型的建模过程及技巧，并采用有限元法对其进行了强度仿真分析并评定。以上均是对各种车型进行了强度仿真分析，但是并没有与实验进行对比，本文将对航天重工WXP100防爆特殊型铅酸蓄电池铲板式搬运车结构进行仿真分析，并对实车进行应力应变试验，以验证仿真分析方法的有效性。

1 车体结构

WXP100防爆特殊型铅酸蓄电池铲板式搬运车是机、电、液一体化产品，针对井下搬家倒面作业中应用，主要用于短距离搬运和安装时摆放液压支架。整车采用铅酸蓄电池为动力源，电机作为动力输出，4×4全轮驱动，主要由铰接式车架、电动轮、驾驶室、铲运机构、牵引机构、铰接转向机构、回转机构、电气系统、液压系统等组成，如图1所示。

图1 WXP100铲板式搬运车模型

1.1 车架

车架的主要功用是支撑连接车辆各零部件，绝大多数部件和总成都通过车架来实现相对位置的安装固定，而矿区路面差，特别是综采工作面的工作条件十分恶劣，车架不仅承受自身、电池、液压支架及其他总成的重量，还要受到路面和车架内部动力总成的激励，行驶及铲运过程中产生的各种力和力矩直接作用在车架上，所以有必要对车架的强度进行深入分析[7，8]。对于铲板车的车架，其前车架是主要承力部件，满载时前轮承载整车80%的重量。

车架采用铰接式车架，主要由前车架、铰接机构、后车架、回转机构组成，可实现前、后车架的在水平面的偏转和绕中心轴的回转。通过转向油缸的伸缩来推动前、后车架相对铰接中心轴转动，实现前后车架的偏转以达到转向的目的。通过回转机构，使前后车体可以绕车轴中心转动，在过坎或过坑时，轮胎较好贴合地面，增强通过能力，从而降低了对车架抗扭能力的要求。

车架主体结构为盒型框架结构，选用不同规格、不同材质的钢板焊接组焊成型，应力较大部位选用高强度HG70E钢板，受力较小部位选用Q345钢板。

前车架安装两前驱动轮，前端安装提升及翻转油缸，左边为嵌入式驾驶室，中间舱内放置液压及电控元件，后边与中车架铰接。前车架由上盖板、底板、前侧板、后侧板，左侧板、右侧板等组成。中车架舱内装有转向油缸、液压泵电机，后端通过回转支撑与后车架连接。中车架由前、后、左、右侧板等焊接而成。后车架安装两驱动轮，后端通过油缸和摆臂连接电池铲运机构。后车架由前、后，内、外侧板及挡泥板等焊接而成。

1.2 铲运机构

铲运机构是整车功能的实现单元，包括提升曲柄、铲叉连接座、铲叉和铲板。工作机构通过提升曲柄实现载荷的提升，铲叉可完成井下设备的叉装等工作，加装铲板可完成液压支架、采煤机等大吨位采掘设备的搬运工作[9]。

铲运机构分别由4个油缸控制铲板的上下平动和转动。铲叉与铲叉连接座用销轴连接并配有定位销来固定铲叉工作时的位置。铲叉连接座通过两个提升曲柄及油缸与前车架相连。铲叉连接座应力较大部位选用高强度HG70E钢板，受力较小部位选用Q345钢板。铲叉选用材料20CrNiMo锻造成型。

1.3 蓄电池托架

蓄电池托架用于铲运电池箱，包括提升曲柄、电池叉架和电池叉，利用提升曲柄实现电池箱的提升。蓄电池托架分别由4个油缸控制电池叉架的上下平动和转动。电池叉与电池叉架用销轴连接。在叉架的两底部和前端面设计有定位销，用来固定电池箱的位置。电池叉架通过两个提升曲柄及油缸与前车架相连。

1.4 铰接机构及回转机构

铰接机构连接前、中车架，机构的合理设计对保证整车转向可靠性和行驶稳定性具有重要意义，如图2所示。

图2 铰接机构

前后车体通过回转机构绕车轴中心转动，车辆在过坎或过坑时，轮胎较好贴合地面，可提高车架抗扭能力，增强车辆操纵稳定性，提高抗侧翻能力[10]。回转机构结构形式如图3所示。

图3 回转机构

2 有限元分析理论

2.1 有限元分析理论

有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。已取得了较为广泛的应用[11，12]，在实践中，有限元分析法通常由以下步骤组成[13]：①预处理，用户需建立物体待分析部分的模型，在此模型中，该部分的几何形状被分割成若干个离散的子区域或称为“单元”。各单元在一些称为"结点"的离散点上相互连接。这些结点中有的有固定的位移，而其余的有给定的载荷。准备这样的模型可能极其耗费时间，所以商用程序之间的相互竞争就在于：如何用最友好的图形化界面的"预处理模块"，来帮助用户完成这项繁琐乏味的工作。有些预处理模块作为计算机化的画图和设计过程的组成部分，可在先前存在的CAD文件中覆盖网格，因而可以方便地完成有限元分析。②分析：把预处理模块准备好的数据输入到有限元程序中，从而构成并求解用线性或非线性代数方程表示的系统。

2.2 疲劳损伤理论

材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。疲劳损伤积累理论认为，当零件所受应力高于疲劳极限时，每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的；当损伤积累到临界值时，零件将发生疲劳破坏。较重要的疲劳损伤积累理论有线性和非线性疲劳损伤积累理论，线性疲劳损伤积累理论认为，每一次循环载荷所产生的疲劳损伤是相互独立的。总损伤是每一次疲劳损伤的线性累加，它最具代表性的理论是帕姆格伦一迈因纳定理，应用最多的是线性疲劳损伤积累理论。

疲劳损伤发生在受交变应力(或应变)作用的零件和构件，零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。

常规疲劳强度计算是以名义应力为基础的，可分为无限寿命计算和有限寿命计算。零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关，它们之间的关系可以用应力一寿命曲线(S-N曲线)和应变一寿命曲线(δ-N曲线)表示。应力一寿命曲线和应变一寿命曲线，统称为S-N曲线。根据试验可得其数学表达式：

σmN=C

(1)

式中，N应力循环数，m；C为材料常数。

由式(1)可以得出，应力与寿命成反比关系，应力越小，材料寿命越长。

2.3 可靠性评价

进行静强度评估时，应保证在各工况下各节点当量应力值(Von Mises应力)不大于所用材料的最大许用应力值。

Von Mise应力：

许用应力：

式中，δm为当量应力，MPa；δ1、δ2、δ3为主应力，MPa；[δ]为许用应力，MPa；δn为屈服强度，MPa；n为许用安全系数，静载工况取1.3，动载工况取1.1。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

采用Proe建立搬运车三维模型，并对小孔、圆角、倒角等进行补充简化，便于网格划分。分别将搬运车的前车架、中车架、回转机构、前后三角筋、铲叉与电池托架三维模型导入Ansys Workbench软件中[15]，选用静力学分析模块进行仿真研究。其中应力较大部位选用高强度HG70E钢板，受力较小部位选用Q345钢板，铲叉选用材料20CrNiMo锻造成型。定义材料属性后对各部分进行网格划分，大部分采用六面体网格，得到满足仿真要求的网格模型，如图4—7所示，平均网格质量在0.75以上。

图4 前车架有限元网格模型

图5 中车架有限元网格模型

图6 铲叉有限元网格模型

图7 电池托架有限元网格模型

3.2 计算工况

进行7种工况计算：空载静止、满载静止、空载启动、满载刹车、空载过坑、满载过坑、牵引工况。通过下述理论公式可得到各工况下车架上整体的轮载，本文仅将静止和启动两种典型工况下的平衡公式列举出来，其他工况下的载荷都可通过这两种公式衍生出来进行求解。静止工况各桥受力如图8所示。

图8 静止工况各桥受力示意图

由力及力矩平衡公式得：

F1+F2=G

(4)

F1×L1=F2×L2

(5)

式中，F1、F2分别为前、后轮载，kN；G为簧上整车重量，kN；L1为前轮距质心点的距离，m；L2为后轮距质心点的距离，m。

0.2g启动工况各桥受力如图9所示。

图9 平地启动各桥受力示意图

由力及力矩平衡公式[7]得：

F1+F2=G

Fa=0.2G

(7)

Fa1=0.2×F1

(8)

Fa2=0.2×F2

(9)

F1×L1-G×L2+Fa×H=0

(10)

式中，Fa为0.2g启动惯性载荷，kN；Fa1为前桥启动时地面摩擦力，kN；Fa2为后桥启动时地面摩擦力，kN；L为整车轴距，m；H为轮心距质心点的高度，m。

3.3 分析结果

前车架、中车架、铲叉与电池托架的静强度计算结果见表1—2。从计算结果可以看出前、中车架均是铰接板与车架结合处应力较大，前车架最大应力为351.74MPa，中车架最大应力为223.59MPa；铲叉在其背板与油缸连接板交界处应力较大，为300.12MPa，电池托架背板的接触边应力较大，为287.5MPa，得到的最大应力均低于结构材料的屈服强度。

表1 静强度计算结果(一)

表2 静强度计算结果(二)

4 应力应变试验结果分析对比

仅使用有限元法对前车架进行仿真分析不能完全满足设计需要，为确保仿真计算结果的真实性和准确性，还需在矿区道路条件下进行应力应变试验。本文采用VXI EX1629数采设备、PCB 481A信号调理仪进行应变测试，测试的传感器为BE120-4CA型三向应变计和BE120-10AA型单向应变片，在矿区道路条件下进行了为期三天的应力应变试验。应变片的测试位置主要集中在前车架上，特别是仿真应力较大的区域，应变测试方法为半桥法，粘贴方向秉持环a轴c的原则。

将矿区试验中的实测应变采用如下公式转换成应力：

式中，ε0、ε45、ε90分别为三向应变片在三个方向上测得的应变值；σ1、σ2为主应力，MPa；σi为应力强度，MPa；E为试验件材料的弹性模量，MPa；μ为试验件材料的泊松比。

得到如图10所示的各结构测点的应力曲线，可看出，前车架铰接区域测点最大应力为305MPa，中车架铰接区域测点最大应力193MPa，铲叉油缸连接板区域测点最大应力294MPa，电池托架背板的接触边区域测点最大应力278.2MPa，通过将实验数据与有限元分析得到的数据进行对比，可看出，有限元计算的数据比试验测得的数据要大，且各实验数据与有限元仿真之间的误差在5%以内，充分说明有限元分析的正确性。

图10 区域测点应力曲线图

5 结 论

通过对WXP100防爆特殊型铅酸蓄电池铲板式搬运车的结构的分析，通过Ansys Workbench软件中建立搬运车有限元模型，并采用有限元分析方法对搬运车各组成部分在7种运行工况下进行了静强度分析，并通过与试验数据对比，验证了有限元分析的正确性，可作为进一步优化的基础。