矿山装药台车工作装置的有限元分析

矿山装药台车工作装置的有限元分析
李 亮1，汪世益1，徐必勇2
（安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002；2. 安徽惊天液压智控股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）
［摘要］以GTZY —100装药台车工作装置为对象，建立有限元模型进行静力学和模态分析，分析结果与试验结果较为吻合，为其结构的进一步优化设计和改进提供了参考依据。

［关键词］装药台车；工作装置；有限元分析；模态分析
［中图分类号］TD4 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2016）08-0073-03
Finite element analysis of working device for mine loading trolley
LI Liang ，WANG Shi -yi ，XU Bi -yong
GTZY -100新型装药台车工作装置采用两级伸缩臂，通过2个调平油缸组成闭环系统，可保证吊篮在运转过程中始终保持水平状态［1］。

在长臂、重载、振动工作条件下，工作装置的可靠性、稳定性和工作人员的安全显得尤为重要。

由于各部件间的耦合作用，不宜采用解析方法计算结构的应力、应变和位移，而传统的样机试验评价方法成本高、周期长、费时费力。

本文采用有限元分析，建立工作装置的有限元模型，依次加载求解，不仅可缩短研发周期而且大大节约成本，为今后结构的进一步优化和设计提供理论依据。

1 有限元模型
GTZY -100装药台车工作装置结构组成如图1所示，左右摆动范围±30°，工作装置最大载荷500kg ，最大举升高度7.85m 。

14
13
1211
10
9873214
5
6
1. 回转座
2. 摆动座
3. 伸缩一臂
4. 摆动油缸
5. 一臂油缸
6. 调平油缸
7. 二臂伸缩油缸
8.伸缩二臂
9. 三臂伸缩油缸 10. 伸缩三臂 11. 液压阀护罩
12. 液压阀 13. 吊篮 14. 吊篮油缸图1 GTZY -100装药台车工作装置结构图
1.1 有限元模型的建立
利用有限元前处理软件HyperMesh 建模，建模前对模型进行合理简化，一些细节不在模型中体现，并不影响分析所要求的精度［2］。

当工作装置水平伸展至最长位置时，载荷作用线距离各个关键传递路径点（销轴等）以及底座中心线最远，可认为是最恶劣工况。

本文按此工况建模，并选取另2个疑似恶劣工况进行分析验证。

对于工作装置中的液压缸，需考虑液压油压缩和活塞杆轴向弹性变形的综合作用，采用线性等效弹簧单元COMBIN14模拟，根据文献［3］可以计算出液压油和活塞杆等效弹簧刚度；对销轴采用梁单元BEAM188简化模拟，并赋予横截面和材料属性，对销轴和轴孔之间的转动，通过释放1个轴向转动自由度来模拟；由于伸缩臂间存在滑动伸缩，在3节臂之间创建2对接触单元，其中目标单元为CONTA170单元，接触单元为CONTA173单元；臂架为板件焊接而成，采用板壳单元模拟而不需要采用三维实体单元，板与板之间的焊缝采用RBE2刚性单元连接。

有限元模型共包含156392个节点、166184个单元，如图2所示。

DOI:10.14189/ki.cm1981.2016.08.006［收稿日期］2016-03-11
［通讯地址］李亮，安徽省马鞍山市雨山区向山镇安徽工业大学东校区机械工程学院
设计计算
DESIGN & CALCULATION
图2 装药台车工作装置有限元模型
1.2 约束载荷工况
工作装置回转座通过16个螺栓与车身连接，施加固定约束（6个自由度均约束）。

按工作装置最大设计载荷加载，在吊篮工作区均匀选取50个节点加载，每个节点载荷为100N ，同时还应考虑工作装置自重，设置重力加速度g=9.850mm/s 2。

选取3种典型工况进行分析：
（1）工况一：工作装置水平伸到最长；（2）工况二：工作装置在工况一时顺时针转动30°；
（3）工况三：工作装置水平伸到最长并向上举升，与水平夹角为55°，然后顺时针转动30°。

2 静态分析
将建立的有限元模型从HyperMesh 中输出为ANSYS 文件（CDB ）格式，并导入ANSYS 中求解，以得到工作装置在3种工况下的应力和位移分布及最大值所在部位，进行强度校核，并验证 刚度。

工况一工作装置最大VonMises 应力场分布云图如图3a 所示，其最大应力出现在伸缩臂一与伸缩臂二的上接触板面上，应力值为290.9MPa ；位移分布云图如图3b 所示，其最大值为102.2mm ，位于吊篮末端。

限于篇幅，其他2种工况的应力与位移图不再列出。

为便于描述，在模型不同位置（吊篮、臂三与臂二上接触面、臂二与臂一上接触面、摆动座、摆动座焊接板及回转座安装孔）选取6个点，通过仿真运算后，得到各点的应力和位移值，如图4所示。

由图4a 可以看出，工作装置在工况一和工况二下各点应力相差很小，最大应力均出现在臂一和臂二上接触面，其值均为290.9MPa ，小于材料（Q345）的屈服应力345MPa ；工况三最大应力出
现在吊篮2个连接板中间位置，其值为233.7MPa 。

由图4b 可以看出，工况一和工况二各点位移几乎相等；而工况三各点位移值明显比前2种工况大；这是由于一臂油缸和调平油缸都伸至最长，等效弹簧刚度明显变小的缘故，符合实际；根据3种工况的应力图，也验证了工况一为最危险工况。

从上述仿真可知，工作装置的应力水平较低，结构满足静强度要求。

3 试验验证
为了检验模型及仿真结果的正确性，进行了部分试验验证。

以GTZY -100装药台车为试验对象，在工况一下，吊篮垂直加载2.2kN （重物），用钢尺测量吊篮最远点距地面距离，并与仿真结果进行对比分析，以检验模型建立和仿真结果的正 确性。

结果显示，在2.2kN 载荷作用下，工作装置的位移仿真结果为29.4mm ，而试验加载测量得到的位移值为30mm ，仿真结果和试验数据相差仅为2%，可见模型和仿真结果正确性较高。

a 应力分布
b 位移分布图3 工况一应力和位移云图
4 模态分析
为防止由于结构轻量化引起振动，本文对该工作装置在工况一进行有限元模态分析。

低阶自振频率所引起的共振往往会引起结构较大的变形和应力，高阶的影响则较小［4］，因此选取前六阶模态进行分析。

限于篇幅，本文只给出前四阶振型图，如图5所示，前六阶固有频率如表2所示。

表2 前上阶固有频率
阶次
123456固有频率/Hz
3.27 6.30
12.5815.0616.8318.88主振方向
x z 面1阶振型，伸缩臂左右摆动
y z 面1阶振型，伸缩臂上下摆动
x z 面2阶振型，伸缩臂弯曲，吊篮的扭转
x z 面2阶振型，伸缩臂弯曲，吊篮的扭转
y z 面3阶振型，伸缩臂弯曲，吊篮变形明显
y z 面3阶振型，伸缩臂弯曲，吊篮变形明显
由图5可以看出，臂一与臂二的刚度相对较小，各阶频率对其都有影响，尤其前四阶对其影
a 应力分布
b 位移分布
1
2
345
6
不同位置点1
0102030405060708090100110120130140-10
50100150200250300应力/M P a 位移/m m
2
345
6
不同位置点工况一工况二工况三
工况一工况二工况三
图4 不同工况下应力和位移分布
图5 工况一模态振型图
a 一阶
b 二阶
c 三阶
d 四阶
（下转第79页）
78.8
79.079.279.479.679.880.0SOC/%举升阶段
举升阶段
下降阶段
10
20时间/s
30
40
图8 电池SOC 变化曲线
运用仿真结果计算得出重力势能回收效率为80.4%，对于整车而言，单班续航能力提升23.3%。

4 结论
（1）以某2.5t 电动叉车为试验样机，进行能耗分布实验。

试验表明：在标准工况下举升机构占比40.1%，确定了进行势能回收的可行性。

（2）提出了势能回收系统，利用马达产生背压，代替原有的平衡阀，简化原有液压系统。

（3）基于AMESim 建立电动叉车仿真模型，仿真结果表明：单班续航能力提升23.3%，具有很好的工程实用价值。

［参考文献］
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（上接第75页）
响较为明显，后四阶频率对吊篮的影响较为明显。

外界激励频率主要考虑装药台车柴油发动机的作用，柴油发动机的额定转速为2200r/min ，其频率为36.67Hz 。

由表2的数值可以看到前六阶频率与激励频率差别较大，所以不会发生共振。

5 结束语
本文利用HyperMesh 建立装药台车工作装置有限元模型，并采用ANSYS 软件对有限元模型进行求解，分析得出工作装置在3种工况下的位移、应力分布，结果验证了工况一为最危险工况，工作装置的设计满足静强度、刚度的要求。

对工作装置的模态进行分析，结果表明激励频率不会与前六阶固有频率相耦合，结构不会发生共振，设计合
理。

分析结果为今后的改进设计及优化提供了参考 依据。

［参考文献］
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