沈诚+刘桃+郑文豪+李辉+戴祥+吴海周

摘要：

煤矿井下转载机支撑车是煤炭开采系统中的重要设备之一，占煤炭开采的成本比重较大，但存在原转载机械的安全系数偏高，机器的制造材料消耗及使用不够合理等问题。论文运用ANSYS软件中对支撑车三维模型进行了有限元仿真分析，优化了支撑车车体的结构。通过这一优化，降低了车体的重量，为企业降低了生产成本，同时节约的大量的资源。

关键词：结构优化;煤矿井下;转载机;支撑车;有限元分析

分类号：TH243+.2

引 言

煤矿井下转载机支撑车是煤炭开采系统中的重要设备之一，占煤炭开采的成本比重较大[1]，但存在原转载机械的安全系数偏高，机器的制造材料消耗及使用不够合理等问题，造成了成本偏高。为了解决这一问题，在不影响其使用性能的前提下，本文采用ANSYS软件和正交试验方法对其进行了结构优化。

1  静态有限元分析与强度校核

1.1 创建模型

建立的三维实体模型如图1所示，因为支撑车车体选择的材料是40Mn2钢，两侧的焊接板是WZB-NM360钢，两者都属于合金钢系，特性参数选择如表1所示。本文运用Pro/E进行三维实体建模[2]。忽略了对结构强度没有影响的次要因素，采用了IGES格式文件作为中间数据进行交换或使用接口程序连接Pro/E和ANSYS[3]，将三维实体模型导入至软件ANSYS中。

图1支撑车车体三维实体模型

Fig.1 Support the three-dimensional solid

model of vehicle body

图2支撑车车体的有限元网格模型

Fig.2 Support the vehicle body of the finite

element mesh model

1.2  划分网格

本文采用了等级为5的网格密度对车体进行单元划分，有限元网格模型见图2所示，网格共划分生成了190362个单元和305158个节点。

1.3  施加载荷

支撑车工作时车体受到的力主要来自与皮带运输系统的重力与皮带运输系统工作时的动态冲击力，因此为了计算支撑车车体的受力，首先要计算出皮带运输系统在工作时的静态重力。考虑到皮带运输系统各组成部件，如：皮带、托辊和支架等，又考虑到皮带系统工作时的动态冲击下，各部分的等效重量估算如下。

表1材料特性表

Table 1 Material characteristics table

材料的密度ρ（kg/m3）

泊松比弹性模量E（N/m2）

7.85×103μ=0.32.06×1011

皮带运输系统上运输的矿物质量为：mm=B·H·L·ρ=0.8×0.07×50×103=2800kg

按每米8kg估算，则120米的皮带质量mg=8×120=960kg

按每个托辊1.2kg，则共162个托辊的重量m1=1.2×162=194.4kg

估算皮带运输系统的支架每米20kg，则其总的重量为mv=20×50=1000kg

再将其他附件的总质量按大的估算为mf=200kg

则皮带运输系统的的总重量G为：m=mm+mg+ml+mv+mf=5154.4kg

G=m·g=5154.4×9.8N=50513.12N

由于共20辆支撑车支撑此皮带运输系统，因此每个支撑车的静态受力为：

P=G/n=50513.12/20=2525.656N

1.4  施加约束

由于车体在底端处有支撑架设计支撑，对模型的静力分析时，为了便于计算，支撑架的支撑可以被看作为刚性支撑，而且支撑架横杠在支撑车体底座时看作为是均匀间断的。边界条件定义为多处且均匀间断的全约束。

此外还要考虑支撑车的安全性能，取其安全系数为1.2，则每个支撑车的车体受力为3030.7872N。支撑车车体模型所受载荷及约束的情况如图3所示。

1.5  仿真分析

在求解类型中我们选择Static模式，进行有限元分析求解。求解完成后，得到如图4～7所示的支撑车车体变形图、位移云图、应力云图和应变云图。

图3定义约束和载荷后的模型图

Fig.3 Model chart after increase restraint and load

图4 支撑车车体的变形图

Fig.4 Support the vehicle body deformation figure

图5位移矢量云图

Fig.5 Displacement vector sum cloud chart

图6支撑车车体的应力云图

Fig.6 Stress cloud chart of support the vehicle body

图7Von Mises stress图型

Fig.7Von Mises stress chart

从图4和图5可知，支撑车车体的变形发生在支撑车车体上导轨的中部;从图6和图7中可知，最大应力发生位于支撑车车体上导轨的中下部，Von Mises Stress最大值为13.7Mpa。根据所选材料特性可知，我们得到的最大应力值远远小于40Mn2钢的许用应力。

1.6  仿真结论

上述仿真中可以看出，本文最初对支撑车车体的结构设计是合理的，该结构完全满足实际需要的刚度和强度，但由于材料的选择及结构的利用率不是很合理，所以有必要对结构进行优化。

2  支撑车车体的优化设计

本文主要是以对支撑车的结构尺寸和车体材料对原有的设计结构进行优化，在保证支撑车使用性能的前提下，考虑改变支撑车车体的结构尺寸和材料等对支撑车进行优化设计。

2.1  建立优化方案

我们采用了ANSYS自带的优化功能模块对支撑车车体的结构尺寸进行优化分析，得到了优化方案，再使用ANSYS将优化的方案导入其中进行有限元的分析论证。由于支撑车车体最容易破坏的地方应力最大，因此在有限元的分析过程中必须保证此危险处有足够的强度，根据支撑车车体的结构得到以下四种参数组合方案。如下表2所示。

表2支撑车车体结构参数方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案车体的前侧厚度（mm）车体的中侧厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2  仿真优化

根据表中支撑车车体的结构参数，确定支撑车的模型，再按前文所述的有限元分析步骤，再次进行分析，共得到16个分析效果图，其中第一种4个效果图已在前有阐述。综上四种方案的有限元分析数据如下表3所示：

表3分析数据

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）应力（Pa）应变

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 优化结果

由上述优化可知，方案4的模型优化效果最佳，此方案的支撑车车体重量为最小，虽然支撑车车体的最大位移、最大应力应力和应变在四种方案中是最大的，但此方案也能很好地支撑车车体工作时的强度和刚度要求。在模型改进前， 支撑车车体的重量274.42 kg，改进后降低为170.62kg，重量减轻约了37.8% ， 所以整个支撑车的重量得到大幅的下降，同时也提高了整个支撑车的性能。

3 总结

通过对煤矿井下转载机支撑车的有限元分析，优化了支撑车车体结构，从而降低了车体的重量，为企业降低了生产成本的同时也节约了大量的资源。

[参考文献]

[1] 陈维健. 矿山运输与提升设备[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2006.

[2] 王咏梅 康显丽 张瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版机械设计案例教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3] 刘坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 国防工业出版社， 2004.

（作者单位：安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001）

2  支撑车车体的优化设计

本文主要是以对支撑车的结构尺寸和车体材料对原有的设计结构进行优化，在保证支撑车使用性能的前提下，考虑改变支撑车车体的结构尺寸和材料等对支撑车进行优化设计。

2.1  建立优化方案

我们采用了ANSYS自带的优化功能模块对支撑车车体的结构尺寸进行优化分析，得到了优化方案，再使用ANSYS将优化的方案导入其中进行有限元的分析论证。由于支撑车车体最容易破坏的地方应力最大，因此在有限元的分析过程中必须保证此危险处有足够的强度，根据支撑车车体的结构得到以下四种参数组合方案。如下表2所示。

表2支撑车车体结构参数方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案车体的前侧厚度（mm）车体的中侧厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2  仿真优化

根据表中支撑车车体的结构参数，确定支撑车的模型，再按前文所述的有限元分析步骤，再次进行分析，共得到16个分析效果图，其中第一种4个效果图已在前有阐述。综上四种方案的有限元分析数据如下表3所示：

表3分析数据

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）应力（Pa）应变

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 优化结果

由上述优化可知，方案4的模型优化效果最佳，此方案的支撑车车体重量为最小，虽然支撑车车体的最大位移、最大应力应力和应变在四种方案中是最大的，但此方案也能很好地支撑车车体工作时的强度和刚度要求。在模型改进前， 支撑车车体的重量274.42 kg，改进后降低为170.62kg，重量减轻约了37.8% ， 所以整个支撑车的重量得到大幅的下降，同时也提高了整个支撑车的性能。

3 总结

通过对煤矿井下转载机支撑车的有限元分析，优化了支撑车车体结构，从而降低了车体的重量，为企业降低了生产成本的同时也节约了大量的资源。

[参考文献]

[1] 陈维健. 矿山运输与提升设备[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2006.

[2] 王咏梅 康显丽 张瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版机械设计案例教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3] 刘坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 国防工业出版社， 2004.

（作者单位：安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001）

2  支撑车车体的优化设计

本文主要是以对支撑车的结构尺寸和车体材料对原有的设计结构进行优化，在保证支撑车使用性能的前提下，考虑改变支撑车车体的结构尺寸和材料等对支撑车进行优化设计。

2.1  建立优化方案

我们采用了ANSYS自带的优化功能模块对支撑车车体的结构尺寸进行优化分析，得到了优化方案，再使用ANSYS将优化的方案导入其中进行有限元的分析论证。由于支撑车车体最容易破坏的地方应力最大，因此在有限元的分析过程中必须保证此危险处有足够的强度，根据支撑车车体的结构得到以下四种参数组合方案。如下表2所示。

表2支撑车车体结构参数方案

Table 2 Supporting vehicle body structure parameter scheme

方案车体的前侧厚度（mm）车体的中侧厚度（mm）

13030

23025

32525

42020

2.2  仿真优化

根据表中支撑车车体的结构参数，确定支撑车的模型，再按前文所述的有限元分析步骤，再次进行分析，共得到16个分析效果图，其中第一种4个效果图已在前有阐述。综上四种方案的有限元分析数据如下表3所示：

表3分析数据

Table 3 Analytical data

方案

位移（m）应力（Pa）应变

最小值最大值最小值最大值最小值最大值

重量

（kg）

100.137E-080.023178.0701.37E-09274.42

200.159E-080.022738.83901.59 E-09244.45

300.193E-080.029529.23101.93 E-09210.71

400.240E-080.0215915.26402.40 E-09170.62

2.3 优化结果

由上述优化可知，方案4的模型优化效果最佳，此方案的支撑车车体重量为最小，虽然支撑车车体的最大位移、最大应力应力和应变在四种方案中是最大的，但此方案也能很好地支撑车车体工作时的强度和刚度要求。在模型改进前， 支撑车车体的重量274.42 kg，改进后降低为170.62kg，重量减轻约了37.8% ， 所以整个支撑车的重量得到大幅的下降，同时也提高了整个支撑车的性能。

3 总结

通过对煤矿井下转载机支撑车的有限元分析，优化了支撑车车体结构，从而降低了车体的重量，为企业降低了生产成本的同时也节约了大量的资源。

[参考文献]

[1] 陈维健. 矿山运输与提升设备[M]. 徐州： 中国矿业大学出版社， 2006.

[2] 王咏梅 康显丽 张瑞萍.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版机械设计案例教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3] 刘坤. ANSYS 有限元方法精解[M]. 北京： 国防工业出版社， 2004.

（作者单位：安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001）