矿用无轨车正弦路面激励仿真研究

伍生宏， 饶俊良,2,3

（1.常州科研试制中心有限公司，江苏常州 213023；2.南昌矿山机械研究所，南昌 330013；3.江西机电职业技术学院，南昌 330013）

0 引言

矿用工程车主要用于现代化煤矿无轨辅助运输，具有结构紧凑、运输效率高等特点。矿井道路与路面道路不同，井下工况恶劣，道路经常坑洼不平、颠簸起伏，在这样的道路工况条件下，矿用工程车在结构设计上与路面车辆有较大不同，主要是要求在矿井道路上满载运输具有一定的可靠性和安全性，也要有一定的结构寿命。在实际车辆使用中，一些受力较大的车架部位容易发生应力集中导致结构产生变形、撕裂等损坏，所以需要在设计阶段通过虚拟样机仿真分析出各连接部位的受力情况。

1 建模理论

矿用工程车作为一种车辆，既包含车架、各种箱体等刚性体，又包含轮胎、板换、减震垫等柔性体。传统的刚性体一体式建模不能满足这种复杂多体的仿真，需要建立刚柔耦合的多体系统虚拟样机动力学模型来进行仿真分析。

多刚体系统是由多个刚性体连接组成的，各个组合刚体之间具有一定的约束和连接关系，各组合刚体可以在受力时产生相对运动。多柔性体系统可以采用离散法和有限元法等对柔性体进行分析，根据柔性体的不同，可能得到不同的动力学方程。将它们结合起来，即可组成一个刚柔耦合的多体系统。ADAMS软件所导出的机械系统的动力学方程如下所示：

式中：T为系统的动能；Q为广义力列阵；q为系统的广义坐标列阵；μ为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵；ρ为对应于完整约束的拉氏乘子列阵。

2 路面激励仿真

根据煤矿道路情况的特点，选用最为接近的正弦起伏颠簸路来进行行驶路面激励仿真。定义正弦路面波长为300 mm，幅度为20 mm。在仿真设置中，车辆行驶定义为：停车起步，再加速到二挡18 km/h。车辆行驶的驱动方式设置为4个车辆的转动驱动，仿真时间为6 s，仿真步长为150。驱动马达的驱动方程为

选取车辆10个主要的结构连接部位：燃油箱、废气处理箱、补水箱、散热器、柴油机及变矩器、变速箱、人及座椅、液压油箱、气包、车厢及货物为动态受力的数据采集点，具体质量参数见表1。

矿用工程车虚拟样机在正弦路面激励下的仿真建模如图1所示。

图1 正弦路面虚拟样机仿真图

3 仿真结果及分析

仿真之后，得到10个部件与车架动态受力的变化曲线，见图2～图11所示。

从曲线图可以看出满载时正弦路面激励下各部件给车架的载荷是呈波形动态变化的，根据路面给于激励的不同而不同，这也和车辆实际行驶在坑洼路面的颠簸相符。各部件的动态载荷峰值仿真结果见表1。

图2 燃油箱与车架作用力曲线图

图3 废气箱与车架作用力曲线图

图4 补水箱与车架作用力曲线图

图5 散热器与车架作用力曲线图

图6 柴油机及变矩器与车架作用力曲线图

图7 变速箱与车架作用力曲线图

图8 驾驶员及座椅与车架作用力曲线图

图9 液压油箱与车架作用力曲线图

图10 气包与车架作用力曲线图

图11 车厢及货物与车架作用力曲线图

表1 各连接部件的质量与仿真结果

从仿真结果可知，安装在前车架上的燃油箱、废气处理箱体、散热器、人及座椅载荷倍数较大，大约为2.5左右。这些部件与车架的连接属于刚性连接，而且它们在车辆中的安装位置受前后车架钢板弹簧及轮胎减震的影响较小，在路面颠簸激励下，连接处动态载荷倍数较大。

安装在前轮上部车架位置的补水箱、安装在前桥两前轮之间的柴油机及变矩器载荷倍数较小，为1.4。它们在车辆中的位置位于减震效果较好的钢板弹簧及轮胎正上正中部，能借助这些柔性体的减震减少动态载荷。

安装在车辆中部的变速箱、气包，安装在后车架上的车厢及货物载荷倍数约为2左右。这些部件主要居于车辆中部，减震效果尚好。

从仿真结果整体上看，可以认为矿用无轨车在正弦路面激励下的动态受力最大值为静态受力的3倍。实际车辆装配工艺中，可以考虑与车架刚性连接部位增加橡胶垫，同时，需根据载荷倍数结果适当增加车架连接处的结构强度，保证车辆满载行驶时车架的可靠性。

4 结语

根据矿用无轨车的实际工况，建立了基于正弦路面激励的矿用无轨车虚拟样机刚柔耦合多体动态仿真模型，通过动态仿真，得到车架承载处的动态载荷变化，分析了各部件在正弦路面激励下对车架结构的力学影响，为车辆整体布局、车架可靠性及车架结构优化设计提供了理论依据。

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