矿用蓄电池框架车关键结构分析研究

郭爱军，李文军，闫 凯

(1.神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315；2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；3.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006；4.煤矿采掘机械装备国家国家工程实验室，山西 太原 030006)

支架搬运车作为煤矿综采工作面搬家倒面的关键设备，主要用于液压支架的长距离运输作业，被广泛应用于各大矿井，在提高生产效率的同时带来了巨大的经济效益[1-6]。目前主要的动力形式为柴油机驱动，对煤矿巷道存在一定的污染，随着科技的进步与蓄电池技术的日趋成熟，煤矿领域蓄电池车辆也逐渐出现[7-9]，蓄电池车辆和柴驱车辆相比，具有低噪声、低污染、零排放等优点。蓄电池框架车的研发促进了我国煤炭辅助运输行业的设备研发技术。蓄电池框架车运输距离远，额定承载下对车辆的续航能力提出了更高的要求，因此车辆自重要尽可能轻，以便车辆有更好的续航能力，需要对车辆的关键零部件进行结构强度的校核与疲劳分析，以期获得车辆的最大续航里程。本文通过对蓄电池框架车，在多种工况下进行动力学仿真分析，获得关键零部件受力情况，然后进行强度与疲劳校核，为该类型车辆的后续开发设计提供参考。

1 蓄电池框架车结构组成

蓄电池框架车采用两段铰接结构，属于机、电、液一体化综合性产品，主要用于搬家倒面作业中长距离搬运液压支架。整车以铅酸蓄电池作为动力源，采用六轮驱动具有较好的附着能力，后轮采用摆动梁结构，使车辆适应井下复杂路况，采用多盘湿式制动，保证了井下的制动安全性，可以实现液压支架的提升，运输，卸载等功能作业[10-11]。主要由铰接式车架、驾驶室、驱动轮、提升机构、铰接转向机构、电气系统、液压系统等组成。其结构示意如图1所示。

图1 某型蓄电池支架搬运车结构示意

1)车架的主要作用是承载连接车辆各零部件及液压支架，主要由前车架、铰接机构、后车架及铲板组成，通过转向油缸可实现前、后车架在水平面的偏转，达到铰接转向目的。前车架安装有两个驱动轮，并通过前提升油缸连接铅酸蓄电池，具有独立驾驶室等，后车架安装四个驱动轮，通过提升机构与铲板连接，实现液压支架的装卸。

2)驾驶室采用单门单座封闭式驾驶室，具有良好的视野与驾乘舒适性，隔离了粉尘与噪声，具有足够的强度，能保证驾驶员在驾驶室内安全驾驶，内置仪表台、座椅、操作手柄、显示屏及开关等组成，按照人机工程学设计，结构布置合理，可保障驾驶员安全舒适地操纵车辆。

3)驱动轮具有合理的轴荷分配，由于车辆空载与重载轴载荷变化大，需要反复校核合理设计重心位置。后四轮采用摆动梁结构，车辆遇到不平路面时，单侧两轮可以实现纵向摆动，使车辆适应井下复杂路况。

4)提升机构是功能实现单元，包括提升油缸、提升臂、链条与铲板相连。工作机构通过提升臂实现液压支架的作业。

5)转向机构转向的条件是转向力矩大于车辆的转向阻力矩。分为行驶过程中的转向阻力矩和原地静止转向阻力矩，在恶劣工况下需要保证车辆的转向要求，转向阻力矩应有足够的富裕量。

2 整车受力模型

蓄电池框架车各零部件重量及重心位置对整车重心影响较大，在分析之前需要分别求出各自的重量及重心位置，然后利用公式合成整车重量及重心位置，重心合成计算公式如下：

式中，j为三维坐标轴X的代号；i为各零部件的序号；G为各零部件的重量；I为合成重心在X坐标轴上的坐标。

获得重心位置后，进行蓄电池框架车车辆轴荷分配计算，如图2所示。

图2 受力分析示意

图中G为框架车及液压支架的总重力；重心高度为hc；地面对车轮的反作用力F1，F2和F3，F1，与F2的在摆动梁铰点处的等效力为F3，摆动梁铰接点距离前轴的距离为L，重心距离前轴的距离为L1，重心距离摆动梁铰点处的距离为L2，作用在驱动轮上的驱动力为pa1，pb1，pc1，地面对车轮轮胎的摩擦阻力为pa2，pb2，pc2，则：

p1=pa1+pb1+pc1

式中，p1为作用在前后轮的驱动力，kN。

p2=pa2+pb2+pc2

式中，p2为作用在前后轮的滚动阻力，与车辆运动方向相反。

对整车进行受力分析，则：

∑Y=0；G=F1+F2+F3

后轮胎支撑在摆动梁铰接销轴处的等效力为：

F4=F2+F3

对摆动梁铰接销轴处取矩有：

F1×L=G×L2

对前轮支撑点取矩，则：

F4×l=G×L2

其中，驱动力为：

P1=M/r

式中，M为驱动力矩，N·m；r为动力半径，m。

3 整车动力学分析及载荷获取

本研究主要进行了6种工况空载静止、满载静止、空载上坡、满载上坡、空载过坑、满载过坑的仿真分析，通过Adams动力学计算得到不同工况下各部分的最大受力情况，将其加载在各有限元模型中进行强度仿真计算。在三维软件中建立该车的三维模型，依据仿真需要将该车按部件分别转换为X_T格式倒入动力学仿真软件中，建立动力学仿真虚拟样机，为了仿真的准确性，分别校对修改模型质量、惯量等相关参数。在关键位置建立Mark点，用于准确提取关键部件受力情况，为后续的动力学分析做好准备。对于无相对运动的部件间添加固定副，工作机构，前后机架、摆动梁等部件之间添加移动副转动副与球铰副，合理的搭配运动副可以避免冗余约束。添加轮胎和路面，并添加转动副和驱动。轮胎模型的设置参数见表1，该分析中并不考虑车辆的传动系统，通过在轮胎等位置添加驱动函数来模拟车辆的运动状态。采用3次多项式逼近阶跃函数方式施加驱动速度[12-16]。

表1 轮胎模型的设置参数

设置支架搬运车在重载工况下平路速度为10 km/h，上坡工况考验车辆的爬坡能力与承载能力，该工况下车辆坡度设置为12°斜坡，过坑工况设置100 mm沟壕路面。

对比仿真结果发现，满载车辆过坑过程中产生震动，该工况下车辆零部件受力最大，因此本文选取该工况下车辆的仿真结果来进行关键零部件强度校核。该仿真获得的各轮胎受力如图3所示，铰接处的受力与力矩如图4所示；摆梁处的受力与力矩如图5所示。由图3可以看出车辆前轮胎左右承载略的差别，这是由于横向中心偏置所致，前机架右侧蓄电池重量相较于左侧驾驶室重量大，导致左侧轮胎承载稍大，其余轮胎承载与理论计算相近，进一步证明动力学模型准确性。

图3 通过100mm深沟时轮胎受力曲线

图4 铰接处的受力与力矩

图5 摆梁处受力与力矩

4 关键零部件强度分析

在有限元静力学分析过程中，将零部件模型导入软件中，根据零部件的结构进行网格划分，添加约束与动力学提取力，以期获得较为准确地应力应变情况。因为矿井环境较为复杂，对于车辆设计的可靠性要求较高，为了使零部件具有较高的可靠性，选择合理的安全系数，对零部件强度进行校核[17-20]。进行静强度分析时，要保证关键零部件各节点当量应力值(Von Mises应力)不大于材料的最大许用应力值，本文关键零部件使用材料见表2。

表2 材料性能参数 MPa

Von Mise应力：

许用应力：

式中，δn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。

4.1 铰接销轴强度校核

由于前机架与后机架通过铰接连接，铰接轴处对于车辆的转向载重有着重要的影响。为了更加准确地进行铰接销轴的分析，动力学仿真过程中采用上下铰接处添加刚度较大的BUSHING约束，由于上下铰接轴结构相似，此处选取受力较大的销轴进行分析。求解铰接销轴的应力及形变分布如图6所示，在图中可以看出最大应力为310 MPa，选用材料为42CrMo，其许用应力[σ]=730 MPa，满足使用要求。

图6 铰接销轴应力、形变分布

4.2 摆动梁强度校核

摆动梁用于连接后机架与轮胎，用于不平路面车辆后轮胎的调整摆动，此处综合考虑过坑与转弯受力情况进行分析。力的方向与动力学分析所得到的受力方向一致，求解结束后应力、形变云图如图7所示，其最大应力达350 MPa，此处材料选用Q690，其许用应力[σ]=531 MPa，满足使用要求。

图7 摆动梁应力、形变分布

5 关键零部件可靠性分析

进行可靠性定量分析，检验蓄电池框架车关键零部件是否满足失效概率为1×10-5的指标要求。一般选用应力-强度干涉模型进行机械结构的可靠性分析，强度分布和应力分布的重叠区间为其失效概率。由于基础研究数据缺少，材料强度分布规律通常无法获取。笔者选用材料强度的设计值、标准值及其对应的累积失效概率推导材料的强度分布。支架车各结构最大应力与强度见表3。

表3 支架车各结构最大应力与强度

材料强度一般服从正态分布为X～N(u，o2)。失效概率密度函数为f(x)。依据安全级别，材料强度标准值对应累积失效概率密度为αn=0.05，强度设计值对应的累积失效概率密度为αd=6.83×10-4，则材料强度的方差及均值分别为：

μ=Xd-σ·Φ-1(αd)

其中：σ为材料强度的标准差；u为材料强度均值；Xn为材料强度标准值；Xd为材料强度设计值；Φ(α)为标准正态分布累积失效概率密度函数。

为准确判别裕度，将最大应力值作为关键零部件结构失效的边界。忽略应力分布带来的的影响，各关键零部件结构失效概率为：

其中，z为边界即材料最大应力值，由表4可知，蓄电池框架车各关键零部件失效概率均满足1×10-5要求。

表4 关键元部件失效概率

6 结 论

1)对整车受力进行了理论计算，搭建了动力学分析模型，并进行了6种工况的仿真分析，两者结果相近，验证了模型的准确性，选取关键元部件受力最大的满载过坑工况作为静力学分析基础。

2)在有限元仿真软件搭建了分析模型，将动力学获得的受力，合理地添加在模型中，进行了铰接销轴与摆动梁的静力学强度校核，均小于其许用应力，满足使用要求。

3)对铰接销轴与摆动梁进行可靠性定量分析，均满足失效概率为1×10-5的指标要求。