1、第 51 卷 2023 年第 2 期提运编辑严瑾12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1,2,31中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原0300062山西天地煤机装备有限公司山西太原0300063煤矿采掘机械装备国家工程实验室山西太原030006摘要：为了验证某矿用防爆无轨胶轮车用“主梁+副梁”形式的边梁式车架的结构强度，应用三维建模及有限元分析技术，对车架的弯曲、弯曲和扭转以及制动 3 种工况的受力和变形进行分析。根据分析结果对车架应力集中区域进行结构改进，并对改进后的边梁式车架再次进行强度校核。结果表明：改进后的车架在 3 种工况下均满足使用要求，应力集中情况明显改
2、善，为同类型车架的结构设计提供了依据。关键词：防爆无轨胶轮车；边梁式车架；强度分析；结构改进中图分类号：TD525 文献标志码：文章编号：1001-3954(2023)02-0012-05Strength analysis and structural improvement of side-beam type frame of a mine-used flame-proof trackless rubber-tyred vehicleFAN Jiangpeng1,2,31Taiyuan Research Institute Co.,Ltd.of China Coal Technology&E
3、ngineering Group,Taiyuan 030006,Shanxi,China2Shanxi Tiandi Coal Mining Machinery Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,Shanxi,China3National Engineering Laboratory for Coal Mining Machinery,Taiyuan 030006,Shanxi,ChinaAbstract：In order to verify the structural strength of the side-beam type frame in the form of ma
4、in beam+auxiliary beam of a mine-used flame-proof trackless rubber-tyred vehicle,the 3D modeling and the finite element analysis technology were applied to analyze the stress and the deformation of the frame in the operation mode of bending,bending and torsion,and emergency braking.According to the
5、analysis results,the structural improvement was conducted on the frame in the stress concentration area,and the strength of the improved frame was verified again.The results showed the improved frame met the service requirements in the three operation modes,the stress concentration remarkably improv
6、ed,which offered reference for the structural design of the same-typed frame.Key Words：flame-proof trackless rubber-tyred vehicle;side-beam type frame;strength analysis;structural improvement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
7、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。基金项目：山西天地煤机装备有限公司技术创新项目 (M2021-MS19)作者简介：范江鹏，男，1987 年生，硕士，副研究员，主要从事无轨输助运输设备的设计研发工作。DOI:10.16816/ki.ksjx.2023.02.013第 51 卷 2023 年第 2 期提运编辑严瑾13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
8、式取代异形梁的模式。以东部某煤矿需求的一款5t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8mm+5mm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
9、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。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。1.主梁2.副梁图 1边梁式车架模型Fig.1 Model of side-beam type frame表 1边梁式车架材料力学性能Tab.1
10、Mechanical properties of material of side-beam type frame材料510LQ345弹性模量/GPa210210泊松比0.30.3屈服强度/MPa355345 1.驾驶室重力2.补水箱重力3.气包重力4.防爆柴油机及变速箱重力5.燃油箱重力6.废气处理箱重力7.液压油箱重力8.货箱重力9.电池重力10.车轮对应的钢板弹簧安装孔图 2车架受力分析Fig.2 Stress analysis on frame第 51 卷 2023 年第 2 期提运编辑严瑾142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
11、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102MPa，变形较大处在车架中间位置，最大变形约为1.06mm，车架强度和刚度满足使用需求。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：左前轮和右后轮
12、对应的钢板弹簧安装孔全部约束；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329MPa，发生在发动机的安装固定座处，最大变形约为2.42mm，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285MPa，发生在车架后钢板弹簧安装孔处，最大变形约为2.35mm，车架强度和变形均在材料的合理使用范围内。(b)位移云图图 3弯曲工况下车架分析结果Fig.3 Analysis results o
13、f frame in bending operation mode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弯曲工况弯扭两轮着地工况弯扭三轮着地工况紧急制动工况左前车轮全部约束全部约束全部约束全部约束右前车轮全部约束全部约束全部约束左后车轮全部约束全部约束右后车轮全部约束全部约束全部约束全部约束(b)位移云图图 4两轮着地弯扭工况下车架分析结果Fig.4 Analysis re
14、sults of frame in bending and torsion operation mode with two wheels contacting road surface(a)应力云图(a)应力云图(a)应力云图第 51 卷 2023 年第 2 期提运编辑严瑾152.3紧急制动工况紧急制动工况是指在车辆制动瞬间。根据MT/T9892006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4.5m/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
15、MPa，最大变形约为0.81mm，该工况下车架强度和变形均在允许范围内。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5mm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800mm、厚度为5mm的槽形加固垫板，并将发动机左右支撑座的横拉管直径由25mm增加为30mm。经分析，两轮着地工况下应力减小为258MP
16、a，安全系数为1.38；三轮着地工况下应力减小为216MPa，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。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。参考文献1何景强矿用蓄电池搬运车动力学分析及机架优化设计J(b)位移云图图 6紧急制动工况下车架分析结果Fig.6 Analys