孟文東，雷澤勇，鐘 林，張清華，李 魁，李興鎮(zhèn)

(南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

0 引 言

在北方砂巖型鈾礦生產(chǎn)基地，地貌多為低山丘陵。地浸生產(chǎn)井呈一定規(guī)律分布，所以地浸生產(chǎn)井所在的地面位置在斜坡、洼地、沖溝等凹凸不平的地點[1]。對生產(chǎn)井進行清洗的作業(yè)車僅靠車輪?？坑谏a(chǎn)井旁邊，無法達到清洗設備的水平度作業(yè)條件。因此，需要設計一套支撐調(diào)平結構，使清洗作業(yè)平臺能夠達到清洗設備工作所需的水平度。加之整個生產(chǎn)作業(yè)平臺重量約9 t，故提出采用液壓缸來調(diào)平，使移動生產(chǎn)作業(yè)平臺能快速、平穩(wěn)的達到清洗設備工作所需的水平度。

液壓支撐調(diào)平結構是安裝于重型貨車的車架橋梁上，主要是由液壓缸、前部液壓缸臂、后部液壓缸臂等組成。清洗設備工作時，液壓缸臂上的載荷主要來自生產(chǎn)作業(yè)平臺的自身重力。作業(yè)平臺的全部質量作用于前后部液壓缸及液壓缸臂，液壓支撐調(diào)平結構對整個生產(chǎn)平臺的平穩(wěn)運行有著極大的影響。通過對支撐結構在不同工況承受的載荷和材料許用應力的對比，以判斷液壓支撐調(diào)平結構和車架是否能夠達到生產(chǎn)平臺的使用條件，從而避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

筆者通過ANSYS建立液壓支撐調(diào)平結構有限元模型，依據(jù)礦場現(xiàn)場生產(chǎn)工況，模擬實際載荷條件，對液壓支撐調(diào)平結構進行設計分析優(yōu)化，為后續(xù)的試驗樣機提供了安全的實驗數(shù)據(jù)。

1 車載平臺液壓支撐結構

車架的材料為510 L[2]，液壓支撐調(diào)平結構材料主要采用Q235鋼板和型材，液壓缸臂采用12 mm厚鋼板焊接成矩形截面的形式，可達到制造成本低且具有較好的抗彎扭性能的優(yōu)勢[3]。

車載平臺液壓支撐調(diào)平結構主要調(diào)節(jié)液壓缸的行程來達到對生產(chǎn)平臺的調(diào)平。整個結構的橫向跨度2 510 mm，前后間距5 890 mm。尾部支撐結構由液壓缸、后部液壓缸臂、后部液壓缸臂護板組成，液壓缸臂為后部大載荷提供了支撐，起到了強有力的支撐力；前部液壓缸臂護板、前部液壓缸臂、前部液壓缸臂上橫梁以及前部液壓缸臂下橫梁組成了前部的支撐結構，考慮到車輛底盤減速箱的位置，故設計成上下橫梁貫穿連接的形式。車載平臺液壓支撐調(diào)平結構如圖1所示。后部分的載荷主要作用于油缸臂上，因其結構具有較好的抗彎扭性能，故后部分承受載荷可適當增大。

圖1 液壓支撐調(diào)平結構1.液壓缸 2.后部液壓缸臂 3.后部液壓缸臂護板 4.車架橋梁 5.前部液壓缸臂護板 6.前部液壓缸臂 7.前部液壓缸臂上橫梁 8.前部液壓缸臂下橫梁

2 液壓支撐結構靜力分析

對有限元模型進行建立時，為提高運算效率以及精度，需對液壓支撐調(diào)平結構進行簡化。

液壓缸臂利用鋼板焊接而成，底部采用彎曲成形后再焊接，所以將焊接簡化為剛性連接，并且車架的曲面均簡化成平直面的模型[4]。本文仿真分析對螺紋的影響可以忽略，所以將螺栓簡化成圓柱體螺栓模型后進行分析。在Ansys Workbench中建立的液壓支撐結構有限元模型如圖2所示。

圖2 液壓支撐結構有限元模型

2.1 材料屬性

對于重載支撐結構的仿真分析，通過在SolidWorks中建立液壓支撐結構的三維模型，保存為“STP”格式，再導入ANSYS仿真分析軟件中進行模擬仿真分析[5]。定義材料屬性如表1所列。

表1 材料屬性及力學性能

2.2 約束及載荷添加

對模型進行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格進行自由網(wǎng)格劃分[5]。網(wǎng)格模型共包含142 653個節(jié)點，58 428個單元。ANSYS有限元分析是模擬實際生產(chǎn)作業(yè)過程中的結構變化，并得出數(shù)值模擬結果。在ANSYS中添加約束和載荷是至關重要的一步，約束及載荷的添加是否正確關乎著整個分析結果的準確性[7]。

生產(chǎn)作業(yè)平臺按最大載荷量計算約為9 000 kg，在有限元模型豎直向下方向施加重力加速度，取重力加速度值為9.8 m/s2。車架的橋梁是承載部分，又是液壓缸臂的安裝基體，所以添加均布載荷垂直作用于車架橋梁平面上。

在實際生產(chǎn)工作時，液壓缸伸出承載整個作業(yè)平臺的重量，液壓缸與液壓缸臂連接，進一步和生產(chǎn)作業(yè)平臺連接起來。故對液壓缸底部與地面接觸節(jié)點上施加位移約束[8]。

當清洗車到達清洗礦井口時，車載平臺液壓支撐調(diào)平結構首先進行下放液壓缸將承載起清洗車及清洗設備的全部重量并調(diào)平作業(yè)平臺。實際作業(yè)中，四根液壓缸協(xié)同同步伸出，底部接觸面在同一水平面。

2.3 計算結果與分析

對液壓支撐結構進行靜力分析，可以得到液壓支撐結構總位移結果如圖3所示。從結構位移云圖中可得出最大位移約為5 mm，最大的位移發(fā)生在車架中部大梁位置。車架中部位置承受了整個作業(yè)平臺的大部分重量，所以出現(xiàn)了較大位移。通常情況下，重型貨車車架需要滿足最大彎曲撓度小于10 mm[9-10]。

然后再根據(jù)最大撓度[11]計算公式(1)進一步的驗證，有限元分析結果的最大位移小于車架的最大撓度。所以該工況下車架符合使用要求。

(1)

式中：ωmax為最大撓度；F為載荷；L為約束點間距；E為彈性模量；I為截面慣性矩。

圖3 結構位移云圖

液壓支撐結構的等效應力結果如圖4所示，應力主要集中在液壓缸臂和車架接觸的位置。最大的應力為189.2 MPa低于材料Q235和510 L的最大屈服強度，如圖5最大應力分布云圖所示。Q235比510L的最大屈服強度小，所以對材料Q235計算安全系數(shù)即可，且安全系數(shù)計算公式為：

k=[σ]/σmax

(2)

式中：k為安全系數(shù)；[σ]為材料最大屈服強度；σmax為分析結果最大應力。

根據(jù)式(2)計算出安全系數(shù)為1.24≥1，液壓支撐結構強度和剛度達到了要求。因為工作過程中會出現(xiàn)超重作業(yè)、動載荷等不確定的因素，所以為了避免疲勞損壞，對結構進行優(yōu)化設計，以便提高結構的強度。

圖4 結構應力云圖 圖5 最大應力分布云圖

3 液壓支撐結構尺寸優(yōu)化分析

根據(jù)液壓支撐結構的有限元分析結果，針對應力較集中的地方進行優(yōu)化，即液壓臂和車架接觸的結構，即前后液壓缸臂需要協(xié)同優(yōu)化。憑借工程經(jīng)驗及對應力云圖的分析，首先將后部液壓缸臂的四塊筋板厚度修改為20 mm，增加了10 mm，以及筋板的水平邊修改為300 mm，增加了100 mm。如圖6所示。

圖6 筋板優(yōu)化前后對比圖

其次，將后部液壓缸臂護板的寬度修改至與車架寬度一致，即240 mm。同時根據(jù)對載荷施加在車架上的分析，應力會集中在前部液壓缸臂上，所以將前部液壓缸臂橫梁鋼管直徑增加至85 mm，如圖7所示。

圖7 橫梁鋼管優(yōu)化前后對比圖

將優(yōu)化后的模型按相同的約束和載荷對其進行有限元分析。根據(jù)優(yōu)化的分析結果，如圖8所示。應力明顯減小，最大應力值為128.21 MPa，與優(yōu)化前的模型對比發(fā)現(xiàn)，最大應力減小68%。通過式(2)計算得出優(yōu)化的安全系數(shù)為1.83，進一步的保障了液壓支撐調(diào)平結構的安全性，為整個液壓支撐結構提供了優(yōu)化思路。

圖8 優(yōu)化后的應力云圖

4 結 語

通過SolidWorks建立液壓支撐調(diào)平結構三維模型，然后在Ansys Workbench中對整個結構進行分析得出，變形量最大的地方在車架中部。最大應力沒有超過材料的屈服強度，且安全系數(shù)大于1。通過優(yōu)化后，最大應力降低至128.21 MPa，并且安全系數(shù)提高至1.83。所以車載平臺液壓支撐調(diào)平結構符合使用要求，為試驗樣機提供了有利的參考。