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      大型履带运输车下部钢结构有限元分析

      履带运输车可运输大而重的设备以及局部移置露天采矿设备,其核心技术长期以来一直掌握在国外少数企业手中,目前国内所使用的履带运输车均从国外引进,设备购置和维护费用高昂,严重制约着我国露天矿山大型化发展的进程。为突破这种制约,北方重工自主研发承载能力达到320 t的履带运输车。

      该履带运输车主要部件包括发动机、举升平台、司机室、底座及履带行走装置等。由履带行走装置中的履带架与底座焊接而成的组合件称为下部钢结构,是整机关键结构部件,不仅要承载所驮运设备的重量,还要承受发动机、举升平台等设备组成部件的自重,其强度分析在总体设计中十分重要。
    大型履带运输车下部钢结构有限元分析
      首先阐述320 t级履带运输车下部钢结构的结构组成、受力特点及载荷分布,在此基础上,运用ANSYS建立该履带运输车下部钢结构的有限元模型,并对其在负载爬坡、牵引爬坡和单边转弯等3种极限工况下的强度进行分析。

      1 下部钢结构的组成

      该履带运输车下部钢结构是由底座和左、右履带架组成的刚性焊接件。底座上安装有4个举升液压缸,作为4个支撑点支撑举升平台及所驮运的重物;底座后部用于牵引重物和支撑发动机;左、右履带架下部由两轮平衡梁支撑。底座与左、右履带架采用装配焊的方式焊接,为保证底座与履带架连接部位的强度,连接部位钢板的焊缝均采用双面开坡口的形式焊接,钢板与其下部筋板的焊缝要相互错开,以免焊缝集中在同一截面上,改善结构的受力情况。

      2下部钢结构的工况及受力分析

      为保证设备在极限条件下仍能正常作业,应充分考虑设备在现场工作的实际情况。该履带运输车主要用于驮运或牵引重物,工作时主要分为直行、爬坡、转弯等情形。由于其作业时只能单独驮运重物或牵引重物,两者不能同时进行;此外,在驮运重物爬坡的情况下也不允许转弯。因此,确定负载爬坡、牵引爬坡和单边转弯等3种工况为履带运输车的极限工况。同时,履带运输车驮运重物时,要求重物的重心保持在安全半径内(防止设备倾翻所限定的重心范围),安全半径可根据刚性双履带行走装置倾翻边界线确定,并考虑不小于1.5的安全系数。该履带运输车行驶时,下部钢结构受到的载荷包括:下部钢结构自重G。,履带运输车其他零部件(如履带板G:。:驱动轮G孙张紧轮G∞等行走装置以及举升平台G补发动机G笛等)的重力G:,举升重物的重力G。或牵引重物的牵引力兄,驱动装置作用在履带架上的驱动力R(转弯时驱动力用E表示),履带张紧力R以及行驶阻力等。其中,行驶阻力主要包括:支重轮沿履带板滚动所产生的摩擦阻力和支重轮轴颈中的摩擦阻力、横向摩擦阻力(转弯行驶时考虑)、行驶风阻力,以及履带板与地面间的土壤阻力、驱动轮轴和导向轮轴与轴套间的摩擦阻力、履带链在绕上及绕出驱动轮和导向轮时履带销中的摩擦所造成的摩擦阻力等㈣。在计算行驶阻力时,主要考虑摩擦阻力、风阻力、转弯行驶的横向摩擦阻力等,其他的阻力较。莶豢悸。直行爬坡和转弯时摩擦阻力分别用F2和F4表示;风阻力用B表示。
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      3种极限工况下,履带运输车下部钢结构的受力情况如。

      工况1:履带运输车驮运重物直行爬坡(负载爬坡)。履带运输车的允许爬坡坡度为1:10,下部钢结构受力,由于驮运重物存在偏心的可能,此工况加载时需考虑偏心影响,本文为了简化计算只考虑一种极限偏心情况,偏心位置取为履带运输车运行的安全半径与履带装置的横向中心线相交的右侧交点处,如图5所示。驮运重物的重量G,及举升平台的重量G斛可简化加载到4个举升液压缸的支点处。下部钢结构的重量加在其重心处。

      工况2:履带运输车牵引重物直行爬坡(牵引爬坡)。下部钢结构受力,此工况下不存在偏心的可能,不用考虑其影响,重物的牵引力尼加在下部钢结构后部的牵引点处,举升液压缸支点处只承受举升平台的量G甜,其余各力加载方式同工况1。

      工况3:履带运输车驮运重物转弯(单边转弯)。履带运输车的转弯分为3种情况:1)两条履带以不同的速度同时向前驱动,履带行走装置以一定的转向半径向低速侧转动,此时转向半径比较大;2)两条履带以相同的驱动力大小向相反方向驱动,履带行走装置绕其中心点转动,即原地转弯;3)一条履带向前驱动,另一条履带制动停止,履带行走装置向制动侧转动,即单边转弯。本文主要分析单边转弯时的情况,转弯时受到的摩擦阻力中横向摩擦阻力最大,同时考虑受到与转弯方向相反的风阻力,其他摩擦阻力数值过。舜雎圆患。摩擦阻力加载点选取履带架与两轮平衡梁连接铰点处,同一履带架前半部与后半部受力方向相反;风阻力加在下部钢结构导向柱连接处;此工况下同样考虑重物偏心的影响,偏心位置及取值同工况1。

      3 下部钢结构有限元模型的建立

      1)材料的选取

      下部钢结构所用型材及板材选用低合金高强度结构钢Q345E,材料的弹性模量为2.1×10”Pa,泊松比为o.29。下部钢结构中所用钢板厚度均在50mm以下。

      2)材料的许用应力

      根据德国DIN 22261—2:2006标准。た1、2符合标准中主载荷组合(运行中持续出现的载荷组合)的条件,对应的安全系数为1.5;工况3符合标准中主载荷、附加载荷及极限载荷组合(运行中一般不出现,但不是不可能出现的载荷组合)的条件,对应的安全系数为1。

      3)单元属性设置

      下部钢结构是由型钢和钢板焊接而成的结构,对于厚度不超过长度和宽度1/10的薄板,一般采用SHELL 63弹性壳单元来划分及模拟。弹性壳单元SI--I:ELL 63,有时也称为板单元,其具有弯曲能力和膜力,能够承受平面法向载荷和切向面载荷,SHELL 63单元有4个节点,每个节点具有6个方向的自由度。为了描述节点坐标、节点位移及节点载荷方向等有关参数,建立模型时取整体坐标系为右手系O-XYZ,其中x轴正向为履带运输车行走时的前进方向,y轴正向为垂直地面向上。

      此外,左、右履带架与驱动轮、平衡梁等边界处的连接需要进行有限元处理。由于只分析履带架的强度问题,为减少运算量,只要能够真实模拟驱动轮、平衡梁等对履带架作用力的施加情形即可。因此本文均将其简化为轴与履带架的连接,用梁单元BEAM 189来模拟。三维线性梁单元BEAM 189能够模拟从细长到中等粗长短结构的梁或轴,可承受剪切变形,每个单元有3个节点,每个节点拥有6个自由度,该单元的主要参数为截面属性,本文所有梁单元均为圆截面。
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     。1)履带架受到驱动轮重力及驱动力作用,驱动轮通过驱动轮轴将力作用在履带架上,因此将驱动轮简化为一根轴,使用梁单元BEAM 189划分单元,并与履带架有限元模型连接。

     。2)平衡梁是履带架和支重轮之间的连接装置,为了真实模拟平衡梁的结构,在平衡梁轴孔处建立一根轴,使用梁单元BEAM 189划分单元,平衡梁轴两端分别用梁单元与履带架有限元模型连接,如图7所示,这种结构便于分析计算时力的施加及运算处理。下部钢结构的外形尺寸为6 324 rnlTl×6 976 mm×1 208 mm,按上述选用单元划分网格后共得到691 737个节点,71 107个单元。

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