基于SimSolid的矿用特种车辆摆架结构分析*

2020-08-28张娜

煤矿机电 2020年4期

关键词：架结构车架云图

张娜

(山西天地煤机装备有限公司，山西太原 030006)

0 引言

煤矿井下巷道狭窄，工作环境恶劣，地面多为煤泥和积水，车辆在此类凹凸路面行驶时车身颠簸反复。因此，要求作业车辆能够提供充足的动力，且路况适应能力强。

目前，铰接型双桥驱动的防爆车辆在井下辅助运输中应用较多。在铰接车辆中，摆动车架对整车的稳定性和可靠性起到很大的作用[1-2]，因此,有必要对摆架结构进行研究，实现优化车辆结构设计的目的。

1 结构原理

1.1 整车结构

本文所研究的矿用蓄电池车主要用于煤矿井下清理工作面，运输煤炭、锚杆、皮带等辅助材料及装卸、搬运溜槽等[3]。其传动系统的结构如图1所示。

将前桥刚性固连于前车架。后桥部分则将摆架铰接在后车架上，保证车辆在不平整的路面行驶时，后桥可以绕其纵轴摆动一定的角度，改善车轮的附着条件，避免一侧离地，从而得到较好的稳定性。

1.2 摆架结构

井下特种车辆，按照试用车型的不同，常用的横向摆动方式有两种[4]：

1-前桥； 2-传动轴； 3-减速器； 4-摆架； 5-后桥。

1) 在中央铰接处设置回转支承摆动结构，通过前后车架的相对摆动实现整车的横向摆动。中央铰接部与前桥通过回转支承相连，并可通过限位块来控制转角大小,从而绕其转动。

2) 整车的前、后机架不发生相对摆动，后桥通过摆架铰接在后机架上，摆架上的限位块用来限制后桥摆动角度，一般在±8°左右。

本文所研究的摆动车架机构是第二种，与后桥通过驱动桥紧固筋相连。在Solidworks中建立相关的三维模型，具体结构如图2所示。

图2 摆动车架布置图

2 摆架结构强度分析

本文研究的摆架结构为一个焊接件，由主板、连接板、筋板、摆架主体等部分组成，材料为Q550，屈服极限为550 MPa。摆架主体、驱动桥紧固筋用螺栓与后桥固连在一起。

本文所研究的井下蓄电池车整车自重2.1×104kg，额定载荷为7×103kg，对后桥取距得到后桥承受载荷N=147 000 N，摆架限定角度7°。在极限工况下进行分析，需要加一个负荷系数，取最小负荷系数为1.3、最大负荷系数为1.9进行校对，得到相应的Nmin=36 895.3 N,Nmax=67 584.9 N。

2.1 SimSolid软件的特点

SimSolid是一款新型结构仿真软件，能在电脑上实现复杂装配模型的仿真分析，分析能力强。它采用新的计算方法，直接使用原始几何模型，无需网格划分，是传统CAE软件或CAD嵌入仿真工具分析能力的补充。它将分析范围扩展到更复杂的或更大的装配体，并能在几秒到几分钟内提供分析结果。

使用SimSolid进行有限元分析[5]，需要注意以下几点：

1) 分析时可以使用CAD自身格式几何体，即可以容忍不精确的几何体。SimSolid可以对所有几何细节进行分析，如孔、圆角及其他小特征等。即使有奇异面过渡、小碎片表面等复杂表面，也可保持不变。

2) 无需合并装配。大多数传统的有限元分析应用程序推荐进行合并装配，以帮助网格化，并消除复杂和繁琐的特殊元素连接。使用SimSolid，无需此操作，只需始终将所有CAD部件分开。

3) 无需担心大型装配体。使用SimSolid可以保留螺栓、螺母和垫圈等小零件。即使是带螺纹的螺栓也可以。SimSolid独特的自适应解决方案流程可以在具有数百个零件的模型上高效工作。

4) 允许有不完美的连接几何形状。在SimSolid中，装配零件连接容许间隙(不接触的几何形状)和穿透(重叠的几何形状)。它的装配连接设置简单、便捷，在处理不规则的接触面方面是目前业界领先的。

2.2 分析结果

首先导入零件，创建一个新的分析，指定接触条件，创建连接，设置材料属性，并创建边界条件，就可以指定分析过程，得到应力分布图和应变图。

1) 图3为额定值的1.3倍载荷时的应力分布图和应变图。从图3中可以看到，应力最大值为299.00 MPa,对应的摆架最大变形值为1.75 mm，运行速度极快。

2) 将摆架的应力加载至1.9倍，重新计算，可在原来的基础上修改载荷大小，或者复制模型，重新加载。两者的计算速度都很快，只是前者在设计树中显示1个模型，后者可以看到2个。最终可以得到图4所示的云图。从新得到的应力图中可以发现，载荷变大后，应力最大值为474.40 MPa,摆架最大变形值为2.77 mm。整个仿真过程运行速度极快，缩短了运算时间，是传统的有限元分析所不能比拟的。