【正文】 背景隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，用于工業(yè)生產(chǎn)的各種生產(chǎn)設(shè)備也在不斷發(fā)展，這不僅表現(xiàn)在設(shè)備本身功能的不斷完善上，更表現(xiàn)在設(shè)備的自動化程度上，因此，目前工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備正朝著高自動化集成的方向發(fā)展。地下卡車的應(yīng)用不但可以提高地下礦山的勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)能，促進生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，而且還改變該類礦山的回采工藝、采礦方法和掘進運輸系統(tǒng)，促進地下礦山朝著無軌開采的綜合機械化方向發(fā)展。既保證前后機架的鏈接，還要保證前后機架之間的縱向擺動。當(dāng)?shù)叵聼o軌礦運卡車在平坦的路面上運輸時，由于四個車輪子同時著地，這時擺動架不工作。因此，有了擺動架的地下無軌礦運卡車，在不平的路面上行駛時，兩側(cè)車輪可以保證能同時接觸地面，改善車輪的附著條件，充分利用整機的黏著重量，增大卡車的牽引力，同時確保整體的穩(wěn)定性、通過性和最大生產(chǎn)率。國外對無軌礦運設(shè)備的研究也比較早，到目前已取得顯著成就，其中對無軌礦運卡車研究較有名氣的公司主要有芬蘭的Tamrock公司、美國Wagner公司、德國G．H．H公司等，這些公司在不斷的研究開發(fā)后都形成了自己的系列產(chǎn)品。經(jīng)過十幾年的工作，各攻關(guān)項目和課題已取得很大進展，這些課題都通過了鑒定或驗收，大部分項目已推廣并取得較大的經(jīng)濟效益和社會效益。90年代中期，北京科技大學(xué)、金川有色金屬公司第二機械廠、太原礦山機器廠、長沙礦山研究院、北京礦冶研究院等單位在引進國外礦用汽車設(shè)計技術(shù)的條件下，分別研制開發(fā)出符合我國礦山實際的JKQ一2JKQ一jzclo、UK12礦運卡車。主要設(shè)備與輔助設(shè)備臺數(shù)之比，一般為1∶4 左右。也可以在鐵路、公路以及水利工程的隧道內(nèi)進行運輸作業(yè)，可實現(xiàn)運載、自卸、牽引等功能，是井下無軌開采的主要設(shè)備。在鉸接處的前車架上設(shè)計的相對擺動結(jié)構(gòu)，可以使卡車在路面不平時前后車架之間產(chǎn)生橫向擺動，使車輛四輪始終著地，整車質(zhì)量均是附著質(zhì)量，保證了車輪與地面之間的附著牽引性能，同時避免車架產(chǎn)生附加載荷。圖 AJK20型自卸卡車外形圖 AJK20型自卸卡車視圖一 AJK20型自卸卡車視圖二 車架研究現(xiàn)狀自卸車是現(xiàn)代礦山的重要運輸設(shè)備，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用條件惡劣。車架是整個卡車的基礎(chǔ)，在它上面安裝著發(fā)動機、傳動系、行駛系和車身等主要裝置。五六十年代，我國對于一般車架的設(shè)計及強度校核是依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗及方法，即依靠經(jīng)典的材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)驗公式，對車架的結(jié)構(gòu)作大量的簡化進行分析設(shè)計，設(shè)計的結(jié)果依靠試驗來驗證，該法具有一定的可靠性和科學(xué)性。近年來，我國地下礦山以地下無軌礦運設(shè)備和礦運卡車為核心的采礦裝備得到了極大的發(fā)展，先后研制成功20多種規(guī)格的地下無軌礦運設(shè)備，其斗容從0．38m 3發(fā)展到6m 3，礦運卡車從8T發(fā)展到25T。對AJK20K井下礦運卡車擺動架的優(yōu)化設(shè)計，可以使其在滿足強度應(yīng)力和安全要求的情況下，使得其對于整車布置更加合理，外觀更加和諧。通過三維軟件對擺動架進行建模，體會三維軟件在實際工作中的用途。（4）按照理論計算得出，主銷、回轉(zhuǎn)支承、固定螺栓組的最大應(yīng)力。 本章小結(jié)鉸接式自卸車是非公路用車輛，工作在礦山或隧道土建工地進行短距離運輸，由于礦山環(huán)境復(fù)雜、路況惡劣，車架是其中的關(guān)鍵部件，在裝載、運輸和卸載中承受主要的載荷，而中央擺動架的受力情況復(fù)雜，因而也是最容易損壞的關(guān)鍵部件之一。而一些復(fù)雜的工程問題則常常需要以理論力學(xué)分析為基礎(chǔ)，或者與理論力學(xué)相結(jié)合才能更好的進行分析求解。靜力學(xué)分析是研究結(jié)構(gòu)在力系作用下的平衡條件的科學(xué)。（2）板架結(jié)構(gòu)。以薄板板殼為主的結(jié)構(gòu)，如轎車的底架、車身等。靜力分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。動力學(xué)要解決的問題主要有兩點：（1）尋求結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型，從而了解結(jié)構(gòu)的振動特性，以便更好地利用或減小振動；（2）分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性，以計算結(jié)構(gòu)振動時的動力響應(yīng)和動位移的大小及其變化規(guī)律。構(gòu)件一般由固體制成，在外力作用下，構(gòu)件有抵抗破壞的能力，但是這種能力又是有限度的。（2）剛度要求。指構(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡狀態(tài)的能力。這種發(fā)動機兼有廢氣凈化和消音裝置，降低了巷道內(nèi)的噪音分貝，發(fā)動機排放達(dá)到歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)，裝備井下凈化器，滿足礦山空氣環(huán)保要求排放。在空載或是小負(fù)荷工況下變矩器閉鎖呈現(xiàn)機械傳遞工況，提高傳動效率。基于本車型的新特點對AJK20型卡車的結(jié)構(gòu)強度進行詳細(xì)的計算，一邊為中央擺動架的優(yōu)化問題提供基本依據(jù)和優(yōu)化校核。前后車體采用中央鉸接式結(jié)構(gòu)，由后車架與擺動架通過主銷連接來實現(xiàn)；前車體鉸接處采用回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)，這樣就能實現(xiàn)了前后車體的相對擺動。所有這些重力都按集中載荷Fi （或均布載荷）分布在車架的適當(dāng)位置i（i = 1, 2L ）上，即G r + G e = Σ F i 。根據(jù)理論力學(xué)達(dá)朗貝爾原理，將慣性力和慣性力矩附加入靜力平衡方程，來求出為平衡靜載荷和動載荷而需在原動件上施加的力和力矩，這種分析方法稱為動態(tài)靜力分析?？ㄜ囋谶M行卸載工作時，R3需進行特殊分析，而當(dāng)卡車非卸載工作時，液壓系統(tǒng)油壓各處相等，即在本文的三種工況中R 3 均為零。R 和對任意點的主矩Mo均等于零。以前車架前橋支撐處為坐標(biāo)原點o ，豎直方向的各力對原點取矩，可列出平衡方程：Y 方向： R1 + R2 － G1－ G2－ G21 － G22 = 0ΣMo(F) = 0 ： R2L5+G1L1G2L2G21L3G22L5=0圖中 G1 為前車體的重力， G2 為后車架的重力， G21 、G22 為車箱與物料的重力在后車架上的分配值。 G21L21=G22L22即可求得G 2G22 數(shù)值。 后車架受力分析后車架與擺動架之間的主銷采用關(guān)節(jié)銷聯(lián)結(jié)，關(guān)節(jié)銷只承受剪切力和軸向力，不承受繞z 軸方向的彎矩，下面是后車架的受力分析簡圖。對于R Y1 與R Y 2 ，我們?nèi)∠嗟鹊闹?。由于截面上的合力是一定的，而兩個接觸面的狀態(tài)也基本相同，將R Y1 、R Y 2 取相等的值是可行的。 中央擺動架與回轉(zhuǎn)支承受力分析擺動架與回轉(zhuǎn)支承構(gòu)成聯(lián)接在前、后車架之間的擺動機構(gòu)，形成了前后車架的相對擺動，是整車車架中受力最為復(fù)雜的一個部件，也是卡車使用過程中最容易失效的部件。 擺動架受力分析簡圖圖中R X 3 、R X 4 、R Y 3 、R Y 4 分別為R X 1 、R X 2 、R Y1 、R Y 2 的反作用力， G3 為擺動架的重力， M1 是由螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的力矩。這樣做基本不會影響到計算結(jié)果的精度，故在此處G3 取零值。下面為具體分析：（一） 軸承整體受力分析。本車采用的回轉(zhuǎn)支承型號是010—40—1120，軸承的外圈通過36 個M20150 的螺栓同擺動架相連；軸承內(nèi)圈也由36 個圓形均布螺栓與前車架固定。當(dāng)X 方向的作用力大到等于螺栓預(yù)緊力時，軸承外圈與擺動架接觸面之間的壓力將等于零，所以， R X 6 、M2 均由螺栓的預(yù)緊力產(chǎn)生。（二） 軸承內(nèi)滾動體的受力分析。下圖是兩套推力向心球軸承的受力圖： 兩套推力向心軸承受力示意圖作用在軸承上的任意外負(fù)荷總可以向軸承組合中心點簡化為一組力系，該力系由軸向力Pa、徑向力Pr 、傾覆力矩M 所組成。由此可見，一套四點接觸球軸承之所以能同時承受軸向力、徑向力和傾覆力矩，就在于它可以等效為兩套相對安裝的推力向心球軸承（α ≥ 45176。與推力向心型軸承支反力求取的方法相仿，可求得四點接觸球軸承的支反力。對四點接觸球軸承，當(dāng)主要受軸向力和徑向力相近時，取α 為45176。而當(dāng)P不等于C時，經(jīng)過大量試驗和分析，額定壽命L 的計算公式為 L=(CP)ε (Mr兆轉(zhuǎn))式中：C為額定動載荷（N）； P為當(dāng)量動載荷（N）； ?為壽命指數(shù)，擺動架所用四點接觸球軸承?=3 。所以， C H = 429955 = 343964（N ）根據(jù)已知的推力向心球軸承、向心推力球軸承和推力向心滾子軸承的試驗和分析的結(jié)論，可推得四點接觸球軸承當(dāng)量動負(fù)荷P 的計算公式，如下： P=XFr+YFa （N）式中，F(xiàn)r為軸承支反力的徑向分量，即徑向載荷； Fa為軸承支反力的軸向分量； X為動態(tài)徑向系數(shù)，； Y為動態(tài)軸向系數(shù)，；故工況一時： PA = PB = 27158 + 27158 = 48070 （N）計及實際外負(fù)荷沖擊特性影響后的當(dāng)量動負(fù)荷為P F = fF P（N ），式中fF 為負(fù)荷特性系數(shù)，在中等沖擊力下， f F =~。2．軸承的靜載能力鉸接式卡車的回轉(zhuǎn)支承屬于較大型的軸承，工作轉(zhuǎn)速不高，但往往處于擺動工作狀態(tài)，這時需要校核其靜載能力。 C0=560402sin45176。一般來說，直接承受外負(fù)荷的套圈組A的當(dāng)量靜負(fù)荷PoA 的數(shù)值比PoB 來的大，故可只校核套圈組A 的靜載能力，使 C0HP0AS P0A=27158+127158=89621 (N) C0HP0A==S所以靜載能力完全滿足要求?；剞D(zhuǎn)支承由兩組螺栓分別與前車架、中央擺動架相連。這樣螺栓組的受力只剩下R X 6 、M2 。某處所受的力和它到中性層的距離成正比，令上下兩部分的比例系數(shù)分別為k1 、k2 。顯然，得到kk2的值便可以代入（5）中很容易的求得各螺栓受力。 。X方向： R1XRX8=0 Y反向： G1+RY8R1=0 MoF=0 ：M4+G1L1RY8L8=0 滿載勻速運行計算結(jié)果設(shè)力系所在的平面與oxy 平面重合，且前橋與前車架連接處為oxy 平面的坐標(biāo)原點O，沿車身方向為x 方向。動載荷系數(shù)主要決定于三個因素：道路條件，卡車行駛狀況(如車速)和卡車的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如懸架彈性元件的剛度，輪胎剛度，卡車的質(zhì)量分布等)。本文在滿載勻速振動沖擊工況下對車架的計算分析中取動載系數(shù)為K = 2，這樣一來就能將動態(tài)轉(zhuǎn)換成靜態(tài)來處理。工況二中a 為零，ma 也為零，故不予考慮。本工況計算所用的一些公式如下： FXb≤Fφ=FZφ ；即 FXbmax=FZφ FXb=φbG ab=φbg以上式中，F(xiàn)Xb為地面制動力，F(xiàn)? 為地面附著力，F(xiàn) Z —驅(qū)動輪的法向反力，單位N；? 為地面附著系數(shù)， ?b為制動力系數(shù)；a bmax 為制動減速度，單位m/ s2 。在分析滿載制動工況時采用慣性力法，將慣性力疊加到滿載勻速振動沖擊（動載系數(shù)K=）運行工況。4擺動架部件的重新選型與優(yōu)化 擺動架結(jié)構(gòu)形式的認(rèn)識和確定依據(jù)本課題的要求，是要對AJK20型礦運卡車的原擺動架進行優(yōu)化設(shè)計。原擺動架三維模型通過AJK20礦運卡車的擺動架與其他同類產(chǎn)品擺動架的一個比較，可以明顯的察覺到此擺動架存在明顯的富余。對于AJK20地下礦運卡車擺動架上的回轉(zhuǎn)軸承，雖然它在工作當(dāng)中同時承受以上三種載荷，但較大的載荷是軸向力Fa以及傾覆力矩M，因此的選取合適的回轉(zhuǎn)支承時，這兩個因素才是最基本的依據(jù)。那么根據(jù)上節(jié)工況三的計算結(jié)果知道最大軸向載荷為235000N，最大傾覆力矩為75261Nm根據(jù)這兩個條件選用徐州羅特艾德0140800回轉(zhuǎn)支承。特別要指出的是出于擺動架受力情況的考慮，加厚鉸接板的厚度，由原來的30mm改為40mm，而各個焊接點的切割角連接全部給位圓角連接，這對加強危險截面將非常有效。通過相關(guān)計算，發(fā)現(xiàn)擺動架在三種工況下求得的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，即使按照第一強度理論計算，最大應(yīng)力也為許用應(yīng)力的1/10左右。參 考 文 獻(xiàn)[1] ：， 2007[2] ：北京航空航天大學(xué)出版社，2008[3] 遲可偉，孫建，馮茂林. 地下鏟運機工作裝置有限元參數(shù)化建模，2006（3）[4] ，2006（9）[5] ：，2009[6] ：機械工業(yè)出版社，2010[7] 劉瑩， ：機械工業(yè)出版社，2009[8] 遲可偉，孫建，馮茂林. ，2006（03）[9] ——結(jié)構(gòu)、：冶金工業(yè)出版社,，2002[10] 黃瓊，2003（6）[11] 戰(zhàn)凱．國內(nèi)外地下汽車研究現(xiàn)狀評述及今后發(fā)展趨勢．采礦技術(shù)，2007(4)[12] 戰(zhàn)凱．地下礦山無軌采礦設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)．有色金屬，2004(6)[13] 王建學(xué)，徐秉業(yè)等著．彈性力學(xué)．北京：清華大學(xué)出版社，1997[14] 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