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井下铲运机前车架的有限元分析

发布于:2018-04-22 21:08
有限元分析

       随着煤炭工业的高速发展,煤炭开采及辅助设备的设计与生产水平得到了快速的提高。煤矿井下铲运机是专门为煤矿井下搬运作业设计的一种矮车身、中央铰接前端装载,集铲装、运输及卸载等联合作业于一体的设备,它是我国煤矿井下辅助运输设备的重要组成部分。因此,铲运机的有限元分析,改进创新,提高其可靠性,对提高我国煤矿开采水平、推进煤炭现代化建设有着重大的意义。
       前车架是铲运机直接用来支撑其工作机构的部件,承受外载荷最复杂,其结构设计的合理性对整车系统的重要性是不言而喻的。如图所示,井下铲运机一般没有悬架装置,在水、泥、坡、凹坑等条件很差的路面下,铲运机运行时振动往往较大,加上所铲装的大都为重载物件,车架受到的冲击负荷相对较大,严重时就会导致车架发生开焊、变形、甚至断裂的事故,这就要求铲运机车架零部件具有足够的强度和刚度,以适应煤矿井下恶劣的工作环境,提高铲运机的工作可靠性。为保证前车架具有足够的强度,使其具备足够长的寿命和较高的可靠性,采用动态载荷提取法,对前车架进行了强度分析。计算机硬件和计算技术的发展,使得有限元方法成为静力学、动力学性能数值分析的重要工具。基于有限元分析平台,利用有限元分析理论和方法,完成了对某铲运机前车架的动态有限元分析计算,以vonMises应力作为前车架结构强度校核的参考值,准确得出了前车架的危险受力区域,之后完成车架结构的再设计,实现优化,为后续设计提供了有力的理论依据。
       对前车架进行了有限元分析,首先要建立其三维几何模型。采用大型CADAppSolidWorks完成了前车架的三维实体设计,所建几何模型如图所示。车架几何模型是否合理直接影响到有限元分析计算结果的准确性,此次建模略去了车架局部非承载件,对某些作用相同的零件适当合并,合理地对车架进行了简化。该车架采用薄壁箱型的焊接结构,由2块等厚框形立板、底板、前板及多块筋板焊接为一左右对称的整体结构,加上驱动桥固定板、工作装置油缸固定耳板及转向铰接耳板共同组成了整个车架;由于该结构具有质量小、制造工艺易于掌握、抗弯及抗扭强度大等特点,加之随着有限元优化技术以及电子计算机技术的发展,能够比较真实地模拟实际结构的形状和边界受载状况,反映出结构应力与变形情淘。因而得到广汗梁用。如图所示,铲运机在行驶过程中,前车架主要受到与大臂铰接处的水平方向力(X向)和垂直方向力(Y向)、举升油缸铰接处的水平方向力和垂直方向力、倾翻油缸铰接处的水平方向力和垂直方向力、转向铰接处的水平方向力和垂直方向力以及车架自身的重力。在利用传统方法校核车架结构强度和刚度时,往往采用动载静力化法,车架承受的重力和载荷要乘以一定的动荷系数来等效实际受力,这样,在实际计算时,就不能保证车架受力的准确性。鉴于此,首先在铲运机满载、全速、鹅卵石路面等恶劣工况下,对整车进行了多刚体动力学分析研究,从中提取了车架所承受的动态载荷,其中包含了惯性力等动态特征载荷,逼真地反映了实际情况,很大程度上提高了车架受力的准确性,载荷数据见表。
       有限元分析很重要的一步就是有限元网格划分。网络划分时既要力求准确反映原结构几何和力学性能,又要尽量减少单元节点的数量,单元数量过多则导致计算量增加。但在应力较大的危险区域,如各构件的焊缝处,应适当细化网络。在具体实施过程中,首先要确定单元类型,四面体4节点实体单元,每个节点具有6个自由度,分别为yx、yz线位移自由度和绕yx、yz轴的转动自由度,该单元具有应力强化与大变形性能,符合车架的实际工况,故确定车架有限元模型单元类型为四面体单元。通过设置单元尺寸(C30mm)来设定单元公差C1.Smm}然后对模型划分网络,模型中共包括单元66720个,节点总数达到114981个。根据铲运机工况及各处结构,前车架与动臂、油缸通过销轴连接,该处的几何约束为铰链转动约束,车架与驱动桥为固定约束。车架材料初步选择Q345,材料的弹性模量为206GPa,泊松比为0.3,密度为7.86g/mm3,抗拉强度为660MPa。


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