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隨著煤炭工業(yè)的高速發(fā)展，煤炭開采及輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)水平得到了快速的提高。煤礦井下鏟運(yùn)機(jī)是專門為煤礦井下搬運(yùn)作業(yè)設(shè)計(jì)的一種矮車身、中央鉸接前端裝載，集鏟裝、運(yùn)輸及卸載等聯(lián)合作業(yè)于一體的設(shè)備，它是我國煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)備的重要組成部分。因此，鏟運(yùn)機(jī)的有限元分析，改進(jìn)創(chuàng)新，提高其可靠性，對(duì)提高我國煤礦開采水平、推進(jìn)煤炭現(xiàn)代化建設(shè)有著重大的意義。
前車架是鏟運(yùn)機(jī)直接用來支撐其工作機(jī)構(gòu)的部件，承受外載荷最復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)整車系統(tǒng)的重要性是不言而喻的。如圖所示，井下鏟運(yùn)機(jī)一般沒有懸架裝置，在水、泥、坡、凹坑等條件很差的路面下，鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)往往較大，加上所鏟裝的大都為重載物件，車架受到的沖擊負(fù)荷相對(duì)較大，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致車架發(fā)生開焊、變形、甚至斷裂的事故，這就要求鏟運(yùn)機(jī)車架零部件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以適應(yīng)煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，提高鏟運(yùn)機(jī)的工作可靠性。為保證前車架具有足夠的強(qiáng)度，使其具備足夠長的壽命和較高的可靠性，采用動(dòng)態(tài)載荷提取法，對(duì)前車架進(jìn)行了強(qiáng)度分析。計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，使得有限元方法成為靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能數(shù)值分析的重要工具。基于有限元分析平臺(tái)，利用有限元分析理論和方法，完成了對(duì)某鏟運(yùn)機(jī)前車架的動(dòng)態(tài)有限元分析計(jì)算，以vonMises應(yīng)力作為前車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的參考值，準(zhǔn)確得出了前車架的危險(xiǎn)受力區(qū)域，之后完成車架結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供了有力的理論依據(jù)。
對(duì)前車架進(jìn)行了有限元分析，首先要建立其三維幾何模型。采用大型CAD軟件SolidWorks完成了前車架的三維實(shí)體設(shè)計(jì)，所建幾何模型如圖所示。車架幾何模型是否合理直接影響到有限元分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，此次建模略去了車架局部非承載件，對(duì)某些作用相同的零件適當(dāng)合并，合理地對(duì)車架進(jìn)行了簡化。該車架采用薄壁箱型的焊接結(jié)構(gòu)，由2塊等厚框形立板、底板、前板及多塊筋板焊接為一左右對(duì)稱的整體結(jié)構(gòu)，加上驅(qū)動(dòng)橋固定板、工作裝置油缸固定耳板及轉(zhuǎn)向鉸接耳板共同組成了整個(gè)車架;由于該結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量小、制造工藝易于掌握、抗彎及抗扭強(qiáng)度大等特點(diǎn)，加之隨著有限元優(yōu)化技術(shù)以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能夠比較真實(shí)地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的形狀和邊界受載狀況，反映出結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形情淘。因而得到廣汗梁用。如圖所示，鏟運(yùn)機(jī)在行駛過程中，前車架主要受到與大臂鉸接處的水平方向力(X向)和垂直方向力(Y向)、舉升油缸鉸接處的水平方向力和垂直方向力、傾翻油缸鉸接處的水平方向力和垂直方向力、轉(zhuǎn)向鉸接處的水平方向力和垂直方向力以及車架自身的重力。在利用傳統(tǒng)方法校核車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度時(shí)，往往采用動(dòng)載靜力化法，車架承受的重力和載荷要乘以一定的動(dòng)荷系數(shù)來等效實(shí)際受力，這樣，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，就不能保證車架受力的準(zhǔn)確性。鑒于此，首先在鏟運(yùn)機(jī)滿載、全速、鵝卵石路面等惡劣工況下，對(duì)整車進(jìn)行了多剛體動(dòng)力學(xué)分析研究，從中提取了車架所承受的動(dòng)態(tài)載荷，其中包含了慣性力等動(dòng)態(tài)特征載荷，逼真地反映了實(shí)際情況，很大程度上提高了車架受力的準(zhǔn)確性，載荷數(shù)據(jù)見表。
有限元分析很重要的一步就是有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)絡(luò)劃分時(shí)既要力求準(zhǔn)確反映原結(jié)構(gòu)幾何和力學(xué)性能，又要盡量減少單元節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，單元數(shù)量過多則導(dǎo)致計(jì)算量增加。但在應(yīng)力較大的危險(xiǎn)區(qū)域，如各構(gòu)件的焊縫處，應(yīng)適當(dāng)細(xì)化網(wǎng)絡(luò)。在具體實(shí)施過程中，首先要確定單元類型，四面體4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，分別為yx、yz線位移自由度和繞yx、yz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，該單元具有應(yīng)力強(qiáng)化與大變形性能，符合車架的實(shí)際工況，故確定車架有限元模型單元類型為四面體單元。通過設(shè)置單元尺寸(C30mm)來設(shè)定單元公差C1.Smm}然后對(duì)模型劃分網(wǎng)絡(luò)，模型中共包括單元66720個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)達(dá)到114981個(gè)。根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)工況及各處結(jié)構(gòu)，前車架與動(dòng)臂、油缸通過銷軸連接，該處的幾何約束為鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)約束，車架與驅(qū)動(dòng)橋?yàn)楣潭s束。車架材料初步選擇Q345，材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，密度為7.86g/mm3，抗拉強(qiáng)度為660MPa。
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