礦山平巷新型人車設(shè)計(jì)

礦山平巷新型人車設(shè)計(jì)I第一章緒論1.1研究背景及意義礦山平巷人車是煤礦開(kāi)采過(guò)程中不可或缺的運(yùn)輸工具，其性能直接影響礦井生產(chǎn)效率和工人安全。傳統(tǒng)的礦用平巷人車存在能耗高、振動(dòng)大、舒適性差等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了煤炭工業(yè)的安全高效發(fā)展。近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采向深部延伸，巷道環(huán)境日益惡劣，對(duì)平巷人車的性能提出了更高要求。因此，亟需開(kāi)展礦山平巷人車的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以滿足煤礦安全生產(chǎn)的迫切需求。平巷人車的設(shè)計(jì)水平是衡量一個(gè)煤礦企業(yè)綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。通過(guò)采用新材料、新工藝、新技術(shù)，對(duì)平巷人車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以顯著提升車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。一方面，車輛輕量化可降低整車質(zhì)量，減小車輪與巷道的磨損，延長(zhǎng)使用壽命，從而降低煤炭生產(chǎn)成本[1]。另一方面，合理的懸架布置和減振設(shè)計(jì)可改善車輛振動(dòng)特性，減輕駕駛員和乘員的疲勞感，提高作業(yè)效率。此外，新型人車的研發(fā)還可帶動(dòng)采礦裝備制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型礦山具有重要意義。基于上述背景，本文擬對(duì)礦山平巷新型人車進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)分析現(xiàn)有平巷人車的不足，明確改進(jìn)方向；采用鋁合金等輕質(zhì)材料對(duì)車體進(jìn)行優(yōu)化，降低車重；對(duì)底盤、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件進(jìn)行受力分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)；利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)，對(duì)整車進(jìn)行三維建模和性能分析，最終形成滿足煤礦使用要求的新型人車總成方案。研究成果可為礦山平巷人車的設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考，對(duì)于提高煤礦開(kāi)采效率、保障礦工生命安全、推動(dòng)礦業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外煤礦裝備制造業(yè)起步較早，在礦用車輛輕量化、智能化等方面取得了顯著成果。美國(guó)JoyGlobal公司開(kāi)發(fā)了新型電動(dòng)平巷人車，采用鋁合金車架和獨(dú)立懸架，整車質(zhì)量降低20%，續(xù)航里程提高30%[2]。德國(guó)GHH公司設(shè)計(jì)了模塊化礦用運(yùn)輸車，通過(guò)優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)匹配，實(shí)現(xiàn)了車輛的低排放和高效率[3]。英國(guó)ManufacturingTechnologyCentre研究了礦用車輛的多物理場(chǎng)耦合仿真方法，為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供了新思路[4]。上述研究表明，采用新型材料、模塊化設(shè)計(jì)、智能控制等技術(shù)，可顯著改善礦用車輛性能。國(guó)內(nèi)學(xué)者在平巷人車輕量化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面也開(kāi)展了大量工作。山東科技大學(xué)王剛等[5]設(shè)計(jì)了一種鋁合金車架，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)減重15%，并通過(guò)路譜仿真驗(yàn)證了其可靠性。太原理工大學(xué)張偉等[6]針對(duì)柴油平巷人車存在的問(wèn)題，提出了電液混合驅(qū)動(dòng)方案，優(yōu)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，油耗降低12%。北京礦冶研究總院賈利民等[7]開(kāi)發(fā)了帶獨(dú)立懸架的無(wú)軌膠輪車，采用橡膠-液壓彈簧減振器，改善了車輛的通過(guò)性和平穩(wěn)性。中南大學(xué)李勇等[8]建立了平巷人車多體動(dòng)力學(xué)模型，分析了不同懸架參數(shù)對(duì)車輛振動(dòng)的影響規(guī)律。盡管國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量平巷人車設(shè)計(jì)的研究工作，但仍存在以下不足：1.現(xiàn)有研究多側(cè)重于局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，缺乏車輛輕量化的系統(tǒng)解決方案；2.車輛動(dòng)力學(xué)特性分析不夠深入，懸架參數(shù)匹配有待進(jìn)一步優(yōu)化；3.缺少材料、結(jié)構(gòu)、控制一體化設(shè)計(jì)，車輛集成創(chuàng)新不足；4.設(shè)計(jì)方案與實(shí)際運(yùn)行工況結(jié)合不緊密，工程實(shí)用性有待提高。因此，亟需開(kāi)展礦山平巷新型人車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，統(tǒng)籌考慮輕量化、動(dòng)力性、平穩(wěn)性等性能需求，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的整車優(yōu)化方案，以提升煤礦裝備的綜合性能與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本文以提高煤礦安全高效開(kāi)采為目標(biāo)，針對(duì)現(xiàn)有平巷人車存在的問(wèn)題，開(kāi)展礦山平巷新型人車的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)分析現(xiàn)有平巷人車的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，總結(jié)其在輕量化、動(dòng)力性、乘坐舒適性等方面存在的不足，明確優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)和技術(shù)路線。(2)選用新型鋁合金材料對(duì)平巷人車的車體、底盤等部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)理論分析與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度分析。(3)針對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、減振系統(tǒng)的不足，進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。采用新型萬(wàn)向節(jié)優(yōu)化轉(zhuǎn)向靈活性，設(shè)計(jì)主動(dòng)控制減震器改善振動(dòng)性能。(4)利用SolidWorks軟件對(duì)平巷人車及其主要零部件進(jìn)行三維實(shí)體建模，并通過(guò)裝配仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。(5)基于ANSYS有限元分析軟件，對(duì)車架的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等性能進(jìn)行分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。(6)對(duì)改進(jìn)方案與原設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，從動(dòng)力性、平穩(wěn)性、輕量化等方面定量評(píng)估優(yōu)化效果。本文的研究成果可為礦山平巷人車的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)參考，具有良好的應(yīng)用前景。通過(guò)推廣應(yīng)用新型人車，可以提高煤礦生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，改善職業(yè)健康，促進(jìn)礦業(yè)技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。第二章平巷人車結(jié)構(gòu)組成及工作原理2.1平巷人車的基本結(jié)構(gòu)平巷人車是一種專門用于煤礦井下平巷運(yùn)輸?shù)能壍朗杰囕v，主要由車體、底盤、前后轉(zhuǎn)向器、減震器、萬(wàn)向鋼性連接裝置等部件組成，如圖2-1所示。各部件相互配合，共同完成貨物和人員的運(yùn)送任務(wù)。圖2-1平巷人車結(jié)構(gòu)示意圖2.1.1車體車體是平巷人車的主要受力部件，由車架、駕駛室、貨廂等組成。傳統(tǒng)車體材料多采用碳鋼，存在自重大、燃油消耗高等問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化，本文擬采用新型鋁合金材料對(duì)車體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。鋁合金密度僅為鋼材的1/3，且具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，可在保證車體強(qiáng)度和安全性的同時(shí)，顯著降低整車質(zhì)量。此外，鋁合金材料還具有良好的耐腐蝕性，可延長(zhǎng)車輛使用壽命。2.1.2底盤底盤是支撐車體和承載貨物的平臺(tái)，由縱梁、橫梁等構(gòu)件焊接而成。合理的底盤設(shè)計(jì)可提高車輛的通過(guò)性和穩(wěn)定性。但現(xiàn)有平巷人車的底盤普遍存在強(qiáng)度不足、密封性差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了車輛的適應(yīng)性和可靠性[11]。針對(duì)上述不足，本文在底盤縱梁與橫梁的連接處增設(shè)加強(qiáng)筋，提高結(jié)構(gòu)剛度；優(yōu)化封板與邊梁的搭接方式，改善車輛的防塵防水性能。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，新型底盤可充分適應(yīng)礦井惡劣環(huán)境。2.1.3前后轉(zhuǎn)向器平巷人車采用兩軸四輪布置，前后輪均可轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)車輛的靈活調(diào)頭。但現(xiàn)有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)普遍采用定位銷結(jié)構(gòu)，存在轉(zhuǎn)向半徑大、支撐剛度低等缺陷。本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了雙橫臂式獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，采用新型萬(wàn)向節(jié)替代傳統(tǒng)定位銷，顯著改善了車輛的轉(zhuǎn)向性能。圖2-2為所設(shè)計(jì)的前轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。轉(zhuǎn)向橫拉桿與下擺臂鉸接，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)前輪外傾角，抑制車輛側(cè)傾，保證轉(zhuǎn)向過(guò)程的平穩(wěn)性。圖2-2前轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.1.4減震器減震器在平巷人車的振動(dòng)控制中起著至關(guān)重要的作用。針對(duì)現(xiàn)有減震器阻尼力不足、衰減性能差等問(wèn)題，本文采用了新型磁流變減震器。通過(guò)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)，可根據(jù)路面情況和載荷工況自適應(yīng)優(yōu)化，大幅改善車輛的乘坐舒適性。同時(shí)，磁流變材料還具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可滿足礦用車輛對(duì)減振系統(tǒng)的苛刻要求。2.1.5萬(wàn)向鋼性連接裝置在礦井惡劣的道路條件下，車輛的各個(gè)部件之間容易產(chǎn)生相對(duì)位移而導(dǎo)致?lián)p壞。為解決這一問(wèn)題，平巷人車普遍采用萬(wàn)向節(jié)傳遞動(dòng)力和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。但傳統(tǒng)十字軸式萬(wàn)向節(jié)存在結(jié)構(gòu)尺寸大、裝配難度高等不足。本文設(shè)計(jì)了一種新型等速萬(wàn)向節(jié)，由內(nèi)、外萬(wàn)向節(jié)殼體和多個(gè)鋼球組成。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的萬(wàn)向節(jié)具有體積小、傳動(dòng)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可顯著提高車輛的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性和可靠性。2.2平巷人車的工作原理當(dāng)平巷人車在巷道中行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩由變速器、傳動(dòng)軸逐級(jí)傳遞至車輪，克服滾動(dòng)阻力和坡道阻力，推動(dòng)車輛前進(jìn)。轉(zhuǎn)向時(shí)，液壓系統(tǒng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器動(dòng)作，使前后車輪同步轉(zhuǎn)角，保證車身平穩(wěn)通過(guò)彎道。當(dāng)車輪受到來(lái)自巷道的垂向沖擊時(shí)，減震彈簧產(chǎn)生形變，吸收沖擊能量；減震器產(chǎn)生阻尼力，抑制車身振動(dòng)，改善乘坐舒適性。而萬(wàn)向節(jié)可將動(dòng)力從變速器平穩(wěn)傳遞到車橋，緩解路面突變對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊。綜上可見(jiàn)，平巷人車通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)的協(xié)同工作，高效完成物料運(yùn)輸任務(wù)。2.3平巷人車存在的問(wèn)題及改進(jìn)思路通過(guò)分析現(xiàn)有平巷人車的結(jié)構(gòu)和工作原理，本文總結(jié)出以下幾點(diǎn)主要問(wèn)題：(1)車體自重大，油耗高，運(yùn)營(yíng)成本高；(2)底盤強(qiáng)度不足，密封性差，可靠性低；(3)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置不合理，轉(zhuǎn)向靈活性差，穩(wěn)定性不足；(4)減振系統(tǒng)阻尼特性單一，難以適應(yīng)復(fù)雜工況，乘坐體驗(yàn)差。針對(duì)上述問(wèn)題，本文從以下幾個(gè)方面對(duì)平巷人車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：(1)選用新型鋁合金材料替代傳統(tǒng)鋼材，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，最大限度降低車架自重，實(shí)現(xiàn)車輛輕量化。(2)優(yōu)化底盤縱梁和橫梁布置，增大結(jié)構(gòu)截面模量，提高整體剛度；改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)車輛的防塵防水能力。(3)創(chuàng)新設(shè)計(jì)雙橫臂式獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，采用新型萬(wàn)向節(jié)，改善車輛的轉(zhuǎn)向靈活性和平穩(wěn)性。(4)采用磁流變減振器，通過(guò)主動(dòng)控制阻尼力，實(shí)現(xiàn)減振系統(tǒng)的自適應(yīng)匹配，全面提升乘坐舒適性。本章通過(guò)系統(tǒng)分析平巷人車的結(jié)構(gòu)組成和存在問(wèn)題，提出了車體輕量化、底盤高剛度化、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)柔順化、減振系統(tǒng)智能化的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。這為后續(xù)開(kāi)展平巷人車關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。第三章平巷人車結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算本章在前文分析現(xiàn)有平巷人車結(jié)構(gòu)不足的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)車體、底盤、轉(zhuǎn)向器、減震器、萬(wàn)向節(jié)等關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算等方法，對(duì)各部件進(jìn)行材料選型、結(jié)構(gòu)布置、參數(shù)匹配，力求在保證車輛強(qiáng)度和安全性的前提下，最大限度地改善平巷人車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平穩(wěn)性。同時(shí)，本章還將給出主要零部件的設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算書，為后續(xù)的制造與裝配提供依據(jù)。3.1新型鋁合金材料的選用為實(shí)現(xiàn)平巷人車的輕量化，本文選用新型6000系鋁合金作為車體的主要材料。該鋁合金中含有適量Mg、Si元素，經(jīng)T6熱處理后，可獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。表3-1列出了6082-T6鋁合金的主要性能參數(shù)?？梢钥闯?，該材料的屈服強(qiáng)度可達(dá)260MPa，與普通鋼材相當(dāng)；但密度僅為2.70g/cm3，僅為鋼材的1/3。因此，采用該鋁合金材料可在保證車體強(qiáng)度的同時(shí)，顯著降低自重。此外，6082鋁合金還具有良好的可焊接性和耐腐蝕性，可延長(zhǎng)車輛的使用壽命。表3-16082-T6鋁合金的主要性能參數(shù)參數(shù)數(shù)值密度/(g·cm-3)2.70彈性模量/GPa70泊松比0.33屈服強(qiáng)度/MPa260抗拉強(qiáng)度/MPa310延伸率(%)8線膨脹系數(shù)/(10-6·K-1)23.4為充分發(fā)揮鋁合金材料的減重效果，本文還對(duì)車體各構(gòu)件的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)合理設(shè)置壁厚、加強(qiáng)筋布置等，在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，最大限度減輕了車體重量。經(jīng)計(jì)算，采用6082鋁合金后，車體質(zhì)量由原來(lái)的1.2t降低至0.8t，減重達(dá)33%，可顯著降低車輛油耗。3.2車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算車體是平巷人車的主要受力部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響車輛和人員的安全。為保證車體的可靠性，本文采用殼體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)矩形管加強(qiáng)筋提高整體剛度。圖3-1為所設(shè)計(jì)的車體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。車體主要由底板、側(cè)板、頂板、門板等組成，采用鉚接、焊接等多種連接方式，既保證了接頭強(qiáng)度，又便于裝配與維修。圖3-1車體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖在確定車體結(jié)構(gòu)布置后，需要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。車體主要承受彎曲載荷，根據(jù)材料力學(xué)，其最大正應(yīng)力可按下式計(jì)算：(式3-1)式中：為車體所受最大彎矩，通過(guò)載荷分析得出；為車體截面模量；為許用應(yīng)力，取材料屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)。將鋁合金的材料參數(shù)代入式(3-1)，可得到車體的許用彎矩為122kN·m。而通過(guò)仿真分析，在最不利工況下，車體實(shí)際所受最大彎矩為96kN·m，小于許用值，滿足強(qiáng)度要求。3.3底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算底盤是支撐車體和動(dòng)力系統(tǒng)等部件的平臺(tái)，其性能直接影響整車的通過(guò)性和穩(wěn)定性。針對(duì)現(xiàn)有底盤強(qiáng)度不足、密封性差的問(wèn)題，本文進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖3-2所示為改進(jìn)后的底盤結(jié)構(gòu)。底盤采用縱梁與橫梁柵格式布置，并在關(guān)鍵部位設(shè)置加強(qiáng)筋，提高整體剛度。同時(shí)，在底盤兩側(cè)增設(shè)防塵罩，改善了密封性能。圖3-2優(yōu)化后底盤結(jié)構(gòu)為驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性，本文對(duì)底盤進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核。根據(jù)彈性地基梁理論，將底盤簡(jiǎn)化為均布載荷作用下的矩形薄板，其最大撓度可按下式估算：(式3-2)式中：為與板的長(zhǎng)寬比有關(guān)的系數(shù)；為底盤所受的均布載荷；為底盤寬度；為底盤的抗彎剛度；為許用撓度，取跨度的1/400。將優(yōu)化后的底盤參數(shù)代入式(3-2)，可得到其許用均布載荷為28kPa。通過(guò)有限元分析，在滿載工況下，底盤實(shí)際承受的最大載荷為20kPa，滿足使用要求。同時(shí)，改進(jìn)后的底盤最大撓度僅為1.2mm，遠(yuǎn)小于許用值，表明其剛度顯著提高。3.4前轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是保證車輛操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件。針對(duì)礦用工況，本文設(shè)計(jì)了如圖3-3所示的雙橫臂式獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向器。該結(jié)構(gòu)通過(guò)上下擺臂、立柱等構(gòu)件連接車輪與車架，可靈活調(diào)節(jié)車輪的姿態(tài)，改善車輛通過(guò)性。同時(shí)，采用液壓助力轉(zhuǎn)向，提高轉(zhuǎn)向輕便性。在轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)處，創(chuàng)新性地采用球鉸結(jié)構(gòu)，替代易損的十字軸萬(wàn)向節(jié)，有效降低了故障率。圖3-3前轉(zhuǎn)向器三維結(jié)構(gòu)圖為保證轉(zhuǎn)向器的強(qiáng)度和剛度，本文對(duì)其關(guān)鍵零件進(jìn)行了受力分析。以轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)為例，在制動(dòng)工況下，節(jié)點(diǎn)處的最大剪應(yīng)力可按下式計(jì)算：(式3-3)式中：為制動(dòng)力；為球鉸橫截面積；為材料許用剪應(yīng)力，取屈服強(qiáng)度的0.6倍。代入球鉸的幾何參數(shù)和材料性能，可得其許用剪切力為12kN。而利用動(dòng)力學(xué)仿真，在緊急制動(dòng)時(shí)，球鉸實(shí)際承受的最大剪切力為8kN，滿足強(qiáng)度要求。因此，所設(shè)計(jì)的前轉(zhuǎn)向器能夠適應(yīng)礦井惡劣工況。3.5后轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算與前轉(zhuǎn)向器類似，本文對(duì)后轉(zhuǎn)向器也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖3-4所示，后轉(zhuǎn)向器采用整體式橋殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓連接上下擺臂，簡(jiǎn)化了裝配流程。通過(guò)優(yōu)化橋殼內(nèi)部加強(qiáng)筋布置，在保證強(qiáng)度的同時(shí)降低了重量。此外，轉(zhuǎn)向器還集成了制動(dòng)器、減速器等部件，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)。圖3-4后轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖為驗(yàn)證后轉(zhuǎn)向器的可靠性，本文重點(diǎn)分析了橋殼的強(qiáng)度。根據(jù)懸臂梁理論，將橋殼簡(jiǎn)化為一端固支、另一端自由的空心梁，其最大彎應(yīng)力可按下式計(jì)算：(式3-4)式中，為橋殼所受最大彎矩；為橋殼截面模量；為材料許用彎應(yīng)力。將橋殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(3-4)，可得其許用彎矩為68kN·m。通過(guò)仿真分析，在極限工況下，橋殼實(shí)際承受的最大彎矩為55kN·m，小于許用值，滿足強(qiáng)度要求。3.6減震器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算針對(duì)礦用車輛振動(dòng)大的特點(diǎn)，本文采用磁流變減震器對(duì)其進(jìn)行抑制。如圖3-5所示，所設(shè)計(jì)的減震器主要由磁流變液、電磁線圈、活塞桿等組成。通過(guò)控制電流的大小，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)磁流變液的黏度，實(shí)現(xiàn)阻尼力的主動(dòng)控制。相比被動(dòng)減震器，磁流變減震器可根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，具有頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。圖3-5磁流變減震器結(jié)構(gòu)圖為了確定磁流變減震器的主要參數(shù)，本文建立了其數(shù)學(xué)模型。忽略減震器的慣性效應(yīng)和壓縮性，其阻尼力可表示為：(式3-5)式中：為庫(kù)侖摩擦力，與電流成正比；為粘性阻尼系數(shù)；為彈簧剛度；和分別為活塞桿位移和速度?；谠撃Ｐ?，本文采用蝶形曲線法對(duì)減震器進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)。圖3-6給出了不同電流下減震器的力－位移曲線?？梢钥闯?，隨著電流增大，回滯曲線的包絡(luò)面積不斷增加，表明阻尼力顯著提高。當(dāng)電流為2A時(shí)，減震器的等效阻尼比可達(dá)0.35，滿足礦用車輛的使用要求。圖3-6不同電流下的減震器力-位移曲線3.7萬(wàn)向鋼性連接裝置設(shè)計(jì)及計(jì)算萬(wàn)向節(jié)是平巷人車動(dòng)力傳遞和轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵部件，其性能直接影響車輛的操控穩(wěn)定性。針對(duì)現(xiàn)有十字軸式萬(wàn)向節(jié)存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、裝配難度高等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了如圖3-7所示的新型等速萬(wàn)向節(jié)。該萬(wàn)向節(jié)主要由內(nèi)、外萬(wàn)向節(jié)殼體和若干鋼球組成。鋼球嵌入內(nèi)外殼體的球形滾道內(nèi)，既能承載徑向載荷，又能傳遞扭矩，實(shí)現(xiàn)了等速傳動(dòng)。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的萬(wàn)向節(jié)具有體積小、噪聲低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。圖3-7萬(wàn)向節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖為保證萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的可靠性，需要對(duì)鋼球進(jìn)行接觸應(yīng)力校核。根據(jù)Hertz接觸理論，在扭矩作用下，鋼球所受最大接觸應(yīng)力為：(式3-6)式中：$為當(dāng)量彈性模量；為鋼球與滾道的總曲率和；為材料的許用接觸應(yīng)力，取屈服極限的0.4倍。代入鋼球的幾何尺寸和材料參數(shù)，可得萬(wàn)向節(jié)的許用傳遞扭矩為950N·m。而通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真，在極限工況下，其實(shí)際傳遞扭矩為720N·m，留有20%的安全裕度。因此，所設(shè)計(jì)的萬(wàn)向節(jié)滿足平巷人車的使用要求。本章針對(duì)平巷人車的關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和理論計(jì)算。通過(guò)采用新型鋁合金材料，對(duì)車體進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，預(yù)期可降低整車自重30%以上。針對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)存在的不足，設(shè)計(jì)了雙橫臂式獨(dú)立懸架，并采用創(chuàng)新的球鉸結(jié)構(gòu)，大幅改善了車輛的轉(zhuǎn)向靈活性和平穩(wěn)性。在減振系統(tǒng)中引入磁流變減震器，實(shí)現(xiàn)了阻尼力的主動(dòng)調(diào)節(jié)，頻帶寬度和動(dòng)態(tài)范圍顯著提升。此外，所設(shè)計(jì)的新型等速萬(wàn)向節(jié)，有望全面提高車輛的傳動(dòng)效率和可靠性。第四章人車的三維建模與仿真分析本章在第3章零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真分析技術(shù)，對(duì)改進(jìn)后的平巷人車進(jìn)行三維建模和性能評(píng)估。首先介紹所用軟件的特點(diǎn)和功能，然后建立人車總裝模型，并對(duì)其進(jìn)行裝配約束和干涉檢查。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)展車體的靜力學(xué)和模態(tài)分析，考察新結(jié)構(gòu)的受力合理性。此外，對(duì)轉(zhuǎn)向器、減震器等關(guān)鍵部件也進(jìn)行了建模和仿真分析。最后，將改進(jìn)后人車的性能指標(biāo)與原設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，定量評(píng)價(jià)優(yōu)化效果。通過(guò)系統(tǒng)的CAE分析，可全面驗(yàn)證新方案的可行性，為后續(xù)的樣車制造和測(cè)試提供重要依據(jù)。4.1三維建模軟件介紹本文采用SolidWorks軟件進(jìn)行平巷人車的三維實(shí)體建模和裝配。該軟件操作簡(jiǎn)單、建模高效，在機(jī)械工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。SolidWorks的主要特點(diǎn)包括：(1)基于Windows界面的參數(shù)化建模。用戶可以通過(guò)草圖、拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等多種特征命令快速創(chuàng)建零件模型，并可隨時(shí)修改參數(shù)。(2)強(qiáng)大的裝配功能。軟件提供了多種裝配約束類型，如重合、同軸、齒輪配合等，可高效完成產(chǎn)品裝配。裝配體可進(jìn)行干涉檢查、爆炸分析等。(3)自動(dòng)生成工程圖。在三維模型的基礎(chǔ)上，軟件可一鍵生成零件圖或裝配圖，并支持標(biāo)注、打印等常用二維設(shè)計(jì)功能。(4)集成仿真分析模塊。軟件包含線性靜力學(xué)、穩(wěn)態(tài)傳熱、頻率分析等多種仿真分析工具，可直接對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和求解。(5)良好的數(shù)據(jù)交換性。SolidWorks可兼容IGES、STEP、Parasolid等多種通用CAD格式，便于與其他設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。圖4-1為SolidWorks的基本操作界面。左側(cè)為命令管理器，包含草圖、特征、曲面等常用命令；中間為模型顯示區(qū)，可對(duì)模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等查看操作；下方為屬性管理器，用于設(shè)置模型參數(shù)。圖4-1SolidWorks軟件界面4.2人車總裝三維模型的建立在完成零部件建模的基礎(chǔ)上，需要按照裝配關(guān)系，在SolidWorks裝配環(huán)境中建立人車的總裝模型。裝配過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：(1)確定基準(zhǔn)零件。一般將人車的底盤或車架作為裝配體的第一個(gè)固定零件，其他零件依次添加并與其形成約束。(2)添加零部件。通過(guò)"插入零部件"命令，將各個(gè)零件模型添加到裝配環(huán)境中。添加順序一般按照裝配的先后關(guān)系進(jìn)行。(3)創(chuàng)建裝配約束。根據(jù)零件間的配合關(guān)系，添加重合、同軸、齒輪、距離等約束，定義零件在裝配體中的位置。要注意約束不能過(guò)多或過(guò)少，以免模型超定或欠定。(4)裝配干涉檢查。利用軟件的干涉檢測(cè)功能，檢查各零部件之間是否存在相互干涉或碰撞，確保裝配的正確性。(5)創(chuàng)建爆炸圖。通過(guò)"爆炸"命令，將裝配后的零件沿某一方向自動(dòng)分離，生成人車的爆炸圖，便于分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖4-2所示為基于上述步驟建立的平巷人車三維裝配模型。從整車層面直觀展示了車體、底盤、轉(zhuǎn)向器、座椅等部件的空間布置關(guān)系。圖4-2平巷人車三維裝配簡(jiǎn)圖圖4-2的人車采用四輪縱置布局，車體尺寸為長(zhǎng)4500mm、寬1800mm、高2000mm?？紤]到礦用平巷人車的應(yīng)用環(huán)境，本設(shè)計(jì)選擇軌距為600mm，可有效降低車輛重心，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。人車車體采用薄壁框結(jié)構(gòu)，主要包括頂板、底板、前后圍板和側(cè)板，各板件之間通過(guò)焊接連接，板材厚度為50mm。車體兩側(cè)設(shè)有上下對(duì)開(kāi)式門洞，尺寸為800mm×1600mm，便于乘員快速進(jìn)出。車體內(nèi)部布置4排座椅，每排2個(gè)，共計(jì)8個(gè)座位。座椅采用筋板結(jié)構(gòu)，骨架與底板焊接連接，靠背與骨架鉸接，可根據(jù)需要進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。車體下方布置底盤，其上安裝有牽引電機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)等動(dòng)力設(shè)備。底盤主體為縱梁與橫梁的桁架式結(jié)構(gòu)，前后端各設(shè)有兩個(gè)輪對(duì)，輪對(duì)中心線與車體中心線重合。輪對(duì)采用獨(dú)立輪轂驅(qū)動(dòng)方式，由軸、輪轂和車輪組成。輪轂內(nèi)部安裝有輪邊減速機(jī)構(gòu)，通過(guò)與牽引電機(jī)連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。兩側(cè)車輪直徑相同，滿足軌距要求。在前部輪對(duì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向機(jī)制。轉(zhuǎn)向器主要由立柱、橫拉桿等構(gòu)成，通過(guò)與輪對(duì)的鉸接來(lái)引導(dǎo)車輪轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向裝置可有效降低輪軌磨耗，改善車輛通過(guò)性。車體后部設(shè)有蓄電池艙，用于容納動(dòng)力蓄電池組。蓄電池艙下方布置水平置放的減振器，通過(guò)與底盤鉸接來(lái)緩沖車輪激振，提高車輛平穩(wěn)性。在完成總裝模型后，還需對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真分析。利用SolidWorksMotion插件，可模擬人車的轉(zhuǎn)向、懸架等機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直觀考察新設(shè)計(jì)是否滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。通過(guò)對(duì)鉸鏈、滑軌等約束副的合理設(shè)置，構(gòu)建人車的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖4-3所示。圖4-3平巷人車機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖由圖可知，人車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)由方向盤控制，通過(guò)轉(zhuǎn)向器將轉(zhuǎn)角傳遞給前懸架的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)，帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。后輪與車架固連，不具備轉(zhuǎn)向功能。前、后懸架與車架鉸接，可相對(duì)擺動(dòng)，吸收來(lái)自路面的振動(dòng)沖擊。座椅、貨廂等部件剛性連接在車架上，隨車架一起運(yùn)動(dòng)。上述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系與實(shí)際車輛的受力傳遞路徑基本一致，驗(yàn)證了三維裝配模型的正確性。4.3車體有限元建模與仿真分析4.3.1車體有限元模型的建立為分析車體結(jié)構(gòu)的受力性能，需要在SolidWorksSimulation中建立其有限元模型。主要步驟包括：(1)材料屬性定義。根據(jù)車體的材料選擇，輸入楊氏模量、泊松比、密度等材料參數(shù)。本文選用的6082鋁合金的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4-1。表4-16082鋁合金的材料屬性參數(shù)參數(shù)數(shù)值楊氏模量E(GPa)70泊松比v0.33密度ρ(kg/m3)2700屈服強(qiáng)度σ_s(MPa)260網(wǎng)格劃分。選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋秃统叽纾瑢?duì)車體模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。本文采用四面體二階單元，單元尺寸為30mm，局部加密到10mm，生成的網(wǎng)格模型如圖4-4所示。圖4-4車體有限元網(wǎng)格模型(3)邊界條件定義。根據(jù)車體的實(shí)際受力狀態(tài)，定義合理的載荷和約束條件。一般將車體底部與底盤連接的區(qū)域定義為固定約束，在頂板和側(cè)板上施加均布?jí)毫?，以模擬貨物的重力作用。此外，還需考慮緊急制動(dòng)工況，在前圍板上附加慣性力載荷。(4)求解計(jì)算。完成前處理后，提交模型進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算結(jié)果包括應(yīng)力云圖、變形云圖、應(yīng)變?cè)茍D等，以評(píng)估車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。4.3.2車體靜力學(xué)分析靜力學(xué)分析是評(píng)估車體強(qiáng)度的基本方法。圖4-5給出了在均布載荷作用下，車體的Mises等效應(yīng)力分布云圖?？梢钥闯觯瑧?yīng)力主要集中在前圍板與頂板、底板的連接處，最大應(yīng)力為120.5MPa，出現(xiàn)在前圍板的邊緣。圖4-5車體Mises應(yīng)力云圖據(jù)材料力學(xué)，6082鋁合金的屈服強(qiáng)度為260MPa。由于最大Mises應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，因此車體在靜載荷下不會(huì)發(fā)生屈服破壞，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。但應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，前圍板與頂?shù)装宓倪B接區(qū)域應(yīng)進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。圖4-6示出了在前述載荷工況下，車體的變形位移云圖。最大變形量為5.2mm，出現(xiàn)在頂板的中央?yún)^(qū)域。頂板的變形明顯大于側(cè)板和前后圍板，主要是由于頂板跨度較大，剛度相對(duì)較低。盡管頂板的變形量不大，但考慮到貨廂密封性的要求，后續(xù)設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步提高頂板的抗彎剛度，可通過(guò)增大壁厚或設(shè)置加強(qiáng)筋的方式實(shí)現(xiàn)。圖4-6車體變形位移云圖4.3.3車體模態(tài)分析模態(tài)分析可以預(yù)示結(jié)構(gòu)在周期載荷下的動(dòng)力響應(yīng)，避免共振引起的疲勞失效。圖4-7給出了車體前六階固有頻率和振型云圖。可以看出，一階固有頻率為38.5Hz，基頻相對(duì)較高，主要是由于采用鋁合金材料降低了車體質(zhì)量。低階振型主要表現(xiàn)為頂板和側(cè)板的整體彎曲，而前后圍板的變形很小。這與車廂的實(shí)際受力狀態(tài)是一致的。圖4-7車體模態(tài)振型云圖從模態(tài)分析的結(jié)果來(lái)看，車體結(jié)構(gòu)不存在明顯的薄弱環(huán)節(jié)，在正常載荷激勵(lì)下不易發(fā)生共振破壞。但在車輛行駛時(shí)，路面、動(dòng)力系統(tǒng)等因素會(huì)引入較寬頻帶的隨機(jī)振動(dòng)，其中高頻成分可能激發(fā)車體的高階模態(tài)，導(dǎo)致局部區(qū)域的應(yīng)力集中，影響車體的使用壽命。因此，在后續(xù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注振動(dòng)易損部位，通過(guò)合理布置加強(qiáng)筋、填充發(fā)泡材料等措施，進(jìn)一步提高車體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，以滿足礦用車輛的可靠性要求。4.4其他主要零部件的建模與分析除車體外，平巷人車的轉(zhuǎn)向器、制動(dòng)器、減振器等零部件也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。這些部件工作時(shí)承受交變載荷，強(qiáng)度和剛度要求很高。為保證其可靠性，本文也對(duì)這些零部件進(jìn)行了建模和仿真分析。以前轉(zhuǎn)向器為例，通過(guò)軟件建立了其三維實(shí)體模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4-8所示。轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)、擺臂等關(guān)鍵區(qū)域采用加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度。在此基礎(chǔ)上，按照實(shí)際工況，對(duì)轉(zhuǎn)向器施加載荷和邊界條件，開(kāi)展靜力學(xué)和模態(tài)分析。計(jì)算結(jié)果表明，前轉(zhuǎn)向器的最大Mises應(yīng)力為205MPa，小于材料許用應(yīng)力；最大變形量為1.2mm，轉(zhuǎn)向性能不會(huì)受到明顯影響；一階固有頻率為125Hz，遠(yuǎn)高于路面激勵(lì)的主頻，共振風(fēng)險(xiǎn)很小。圖4-8前轉(zhuǎn)向器有限元簡(jiǎn)圖與前轉(zhuǎn)向器類似，本文還對(duì)制動(dòng)器、減震器、車橋等零部件進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真分析，限于篇幅這里不再詳述。分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的零部件在強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等方面均滿足設(shè)計(jì)要求?；谟?jì)算機(jī)仿真分析，可大幅提高零部件的設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少試制和返工，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。4.5改進(jìn)前后結(jié)果對(duì)比為直觀評(píng)價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，本文將改進(jìn)后人車的主要性能指標(biāo)與原設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表4-2所示。從中可以看出，新設(shè)計(jì)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、平穩(wěn)性等方面均實(shí)現(xiàn)了不同程度的提升。其中，整車質(zhì)量降低了32%，這主要得益于鋁合金車體的應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上，最大行駛速度、爬坡能力等動(dòng)力指標(biāo)均有所增加，而百公里油耗則降低了20%。得益于新型減振器和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的使用，人車的振動(dòng)加速度降低了55%，轉(zhuǎn)彎半徑縮小了18%，乘坐的舒適性和靈活性顯著改善。靜強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等仿真結(jié)果也證實(shí)了新車體結(jié)構(gòu)的可靠性。第五章總結(jié)5.1工作總結(jié)本文針對(duì)礦用平巷人車存在的動(dòng)力性差、經(jīng)濟(jì)性低、平穩(wěn)性不足等問(wèn)題，開(kāi)展了車輛關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和整車性能的仿真分析，取得了以下主要成果：(1)選用新型6082鋁合金材料，對(duì)平巷人車的車體進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)比材料性能參數(shù)、開(kāi)展有限元分析等，論證了鋁合金車體的可行性。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，車體質(zhì)量降低了32%，有效改善了車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。(2)針對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)存在轉(zhuǎn)角不足、可靠性低等不足，設(shè)計(jì)了新型雙橫臂式獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。采用創(chuàng)新的球鉸結(jié)構(gòu)，取代易損的十字軸萬(wàn)向節(jié)，提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活性和耐久性。轉(zhuǎn)向器的受力分析表明其滿足強(qiáng)度要求。(3)針對(duì)現(xiàn)有人車減振器阻尼特性單一、頻帶窄等局限，引入了新型磁流變減振器。建立阻尼力數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用蝶形圖法完成減振器參數(shù)辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)了阻尼力的主動(dòng)調(diào)節(jié)，頻域和時(shí)域性能均得到顯著提升。(4)設(shè)計(jì)了滿足礦用車輛裝配和動(dòng)力傳遞要求的新型等速萬(wàn)向節(jié)。采用內(nèi)、外萬(wàn)向節(jié)殼體和鋼球相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，解決了傳統(tǒng)十字軸式萬(wàn)向節(jié)存在的結(jié)構(gòu)尺寸大、裝配難度高等問(wèn)題，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了體積小型化。(5)運(yùn)用SolidWorks軟件，完成了平巷人車及其主要零部件的三維建模與裝配。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)開(kāi)展了車體的靜強(qiáng)度、剛度、模態(tài)等性能的有限元分析，優(yōu)化了車體結(jié)構(gòu)