某矿用防爆无轨胶轮车边梁式车架强度分析与结构改进

范江鹏

1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤机装备有限公司 山西太原 030006

3煤矿采掘机械装备国家工程实验室 山西太原 030006

矿 用防爆无轨胶轮车承担着煤矿井下运人、运料的核心任务，由于其出色的动力性和机动性，受到越来越多煤矿用户的青睐[1-5]。边梁式车架作为防爆无轨胶轮车的关键受力部件，不仅承担着防爆柴油机、乘员和货物的载荷，行驶过程中还受到来自巷道路面的冲击载荷[6-8]，因此防爆无轨胶轮车车架的强度和刚度对车辆发挥正常功能以及行驶性能有着重要作用。

根据应用矿井形貌的不同，矿用防爆无轨胶轮车整车尺寸、结构布置以及车身姿态角等需要重新设计，造成边梁式车架的定制化程度很高。由于同类产品批量较小，若开发异形边梁式车架，经济性较差，因此目前通常采用“主梁+副梁”的形式取代异形梁的模式。以东部某煤矿需求的一款 5 t 的四轮驱动自卸车为例，该车型采用了“主梁+副梁”形式的边梁式车架。相较常规车架，该车架最主要的变化在于，后钢板弹簧安装座的安装孔中有 2 个孔位于主梁上，2 个孔位于副梁上，主梁和副梁的组合强度有待验证。为充分验证“主梁+副梁”形式的边梁式车架的结构强度，缩短开发周期，采用有限元分析方法对这种形式的边梁式车架在几种常用工况下进行力学分析，为此后车架的结构设计提供依据。

1 边梁式车架有限元模型

1.1 边梁式车架模型的建立

根据设计需求建立“主梁+副梁”形式的边梁式车架数模。主梁通体采用 8 mm+5 mm 的双层梁结构，副梁铆接于主梁尾端的下方，以满足整车的布置需求。考虑到副车架的结构强度，将左右两侧副车架利用圆管进行加固。车架左右纵梁采用 510L 汽车大梁用热轧钢板，各横梁、圆管采用 Q345 低合金钢，如图 1 所示。各材料的力学性能如表 1 所列。

表1 边梁式车架材料力学性能Tab.1 Mechanical properties of material of side-beam type frame

图1 边梁式车架模型Fig.1 Model of side-beam type frame

1.2 模型边界条件的设置

针对不同工况，对车架上的前后车轮处钢板弹簧安装孔进行不同的约束处理。车架受到重物、驾驶室、防爆柴油机、变速箱、气包、补水箱、废气处理箱等部件的重力，以集中载荷方式施加于相应位置。车架受力分析如图 2 所示，各车轮处钢板弹簧安装孔在各工况下的约束条件如表 2 所列。

表2 各工况下各车轮钢板弹簧安装孔约束条件Tab.2 Restraint conditions at assembly hole for spring of steel plate of each wheel in various operation modes

图2 车架受力分析Fig.2 Stress analysis on frame

2 边梁式车架强度分析

由于井下工况条件复杂，巷道路面不平整，受到光线等因素的影响，驾驶员遇到突发情况较为频繁，因此，除了对车架在弯曲工况、弯曲和扭转组合工况下进行分析外，还对车架在紧急制动工况下进行分析。

2.1 弯曲工况

弯曲工况是指车辆在水平路面上静止或匀速行驶。此工况下，将 4 个车轮处的钢板弹簧安装孔进行全部约束。考虑到实际使用工况，取动载荷系数为 3，即施加各项载荷时均按照实际重力的 3 倍进行加载。弯曲工况下车架的分析结果如图 3 所示。由图 3 可知，车架最大受力约为 102 MPa，变形较大处在车架中间位置，最大变形约为 1.06 mm，车架强度和刚度满足使用需求。

图3 弯曲工况下车架分析结果Fig.3 Analysis results of frame in bending operation mode

2.2 弯曲和扭转组合工况

弯曲和扭转组合工况 (简称弯扭工况) 是指车辆在不平路面上 2 个或 3 个车轮着地行驶。弯扭工况具体分为 2 种：①左前轮和右后轮对应的钢板弹簧安装孔全部约束；② 除左后轮对应的钢板弹簧安装孔不约束外，其余 3 个车轮对应的钢板弹簧安装孔全部约束。考虑到实际使用工况，取动载荷系数为 3，2 种弯扭工况下车架的分析结果分别如图 4、5 所示。由图 4 可知，两轮着地工况下，车架最大受力约为 329 MPa，发生在发动机的安装固定座处，最大变形约为 2.42 mm，该工况下车架的最大受力已接近材料允许的使用极限；由图 5 可知，三轮着地工况下，车架最大受力约为 285 MPa，发生在车架后钢板弹簧安装孔处，最大变形约为 2.35 mm，车架强度和变形均在材料的合理使用范围内。

图4 两轮着地弯扭工况下车架分析结果Fig.4 Analysis results of frame in bending and torsion operation mode with two wheels contacting road surface

图5 三轮着地弯扭工况下车架分析结果Fig.5 Analysis results of frame in bending and torsion operation mode with three wheels contacting road surface

2.3 紧急制动工况

紧急制动工况是指在车辆制动瞬间。根据 MT/T 989—2006 设计要求及预留设计余量得出，防爆无轨胶轮车在紧急制动情况下的加速度为 4.5 m/s2。此工况下，车辆 4 个车轮对应的钢板弹簧安装孔全部约束，动载荷系数取 1.5。紧急制动工况下车架的分析结果如图 6 所示。由图 6 可知，在车架前部 1/3 处应力值最大，约为 72 MPa，最大变形约为 0.81 mm，该工况下车架强度和变形均在允许范围内。

图6 紧急制动工况下车架分析结果Fig.6 Analysis results of frame in emergency braking operation mode

3 车架分析改进

通过对车架在上述工况下的结构强度进行分析，得到各工况下车架的安全系数，如表 3 所列。在改进前的各工况下，车架的变形均在 5 mm 以内，符合车架的设计要求[9-11]；而对于车架的强度，在大部分工况下的安全系数均满足使用需求，其结构被认定是安全的，但是在弯曲和扭转组合工况下，其安全系数较低，均小于 1.3，薄弱环节是在车架前部 1/3 处。为了提高车架结构强度，在车架前部 1/3 处增加长度为 800 mm、厚度为 5 mm 的槽形加固垫板，并将发动机左右支撑座的横拉管直径由 25 mm 增加为 30 mm。经分析，两轮着地工况下应力减小为 258 MPa，安全系数为 1.38；三轮着地工况下应力减小为 216 MPa，安全系数达到 1.64，均在材料允许范围内。改进后各工况下的车架安全系数如表 3 所列。

表3 改进前后各工况下车架应力和安全系数Tab.3 Stress and safety coefficient of frame in various operation modes before and after improvement

考虑到各工况下的动载荷系数，车辆实际的载荷下的安全系数为：弯曲工况 10.14；弯曲和扭转工况的两轮着地工况 4.14，三轮着地工况 4.92；制动工况 7.71。综上，“主梁+副梁”形式的边梁式车架的结构强度满足各工况的使用需求。

4 结语

为了满足煤矿用户对防爆无轨胶轮车的使用需求，设计开发了“主梁+副梁”形式的边梁式车架，利用三维及有限元分析技术对边梁式车架进行分析改进。在弯曲和制动工况下，车架的应力和变形均在材料的合理使用范围内，但在弯曲和扭转组合工况下，安全余量较小。改进后的车架在各工况下的安全系数均有所提升，可有效提高防爆无轨车辆车架的结构强度，延长车辆使用寿命。

改进后的边梁式车架在煤矿使用一年后，未出现损坏以及明显的变形，证明“主梁+副梁”形式的边梁式车架的结构强度满足设计及使用需求，为后续同类型车架的设计提供了参考。