大型矿用自卸车后桥壳结构强度分析和设计

修孝廷，王 勇，董 磊，王道明

（徐州徐工矿山机械有限公司，江苏 徐州 221000）

大型矿用电传动自卸车（简称矿车）用于露天矿山、大型水利工程等，承担着世界40%的煤、90%的铁矿石的矿区运输，市场巨大。但矿用自卸车具有技术复杂、价值量高、制造难度大的特点，全球仅有卡特彼勒、小松、日立和利勃海尔等几家工程机械巨头具备成熟的设计制造能力。矿车频繁的启动、制动和转向，除了大负荷、大地面冲击外，其工作条件相当恶劣。电传动矿用自卸车大型复杂承载构件强、刚度分析及优化技术被列为2014年度国家《重大技术装备自主创新指导目录》中，需重点突破的关键技术。在此类矿车后桥壳结构的设计时，设计人员主要结合自身经验并采用经典弹性力学理论，对矿车后桥壳结构进行设计和校核，并通过在矿山的实地工作来验证是否满足设计要求，因此这种的研发过程不仅效率低、投入大，并且无法获得最优的结果[1，2]。

表1 徐工XDE240整车技术参数

有限元法是一种用有限元法分析静态或动态物体的数值分析方法，具有较高的实用性和广泛的应用[1，2]。本文以徐工XDE240电传动矿用自卸车为研究对象，表1[3]，对承载构件自卸车后桥壳进行复杂工况下的计算分析，从结果中可以分析出后桥壳的应力集中点[1]。

1 ADAMS模型

图1 矿用自卸车整车虚拟样机模型

为了获取较为真实的矿用自卸车后桥壳各个铰点的作用力，本文建立了矿用自卸车整车虚拟样机模型，如图1，可以在物理样机未制造之前仿真矿用自卸车各个工况，进而计算出各个工况下悬挂连接处的作用力。

2 后桥壳有限元分析

后桥壳总成如图2由横拉杆1、桥壳2、后悬挂支座3、门4、横拉杆支座5、限位块6、三角架7、三角架轴承座8和风道9等部分组成。矿车后桥壳两边通过螺栓与轮边减速机的二级行星架相连接，为了增强后桥壳的强度和刚度，通常在后桥壳内部焊接各种形式的加强筋，如轴向、环向、轴和环组合形式等。

图2 后桥壳总成构造

后桥壳总成可使用CAD商业软件（如PRO/E）进行三维建模，有限元仿真计算可使用CAE商业软件（如ANSYS）进行分析计算。在有限元模型中，删除后桥壳总成上的小孔、倒角、圆角、坡口和凸台等具体结构特征及一些对分析结果影响不大的支座及螺纹座等零件。矿车后桥壳主要由钢板和铸件组成，钢板结构在厚度方向尺寸上远小于长度和宽度方向的尺度，建立一个中型面来近似后桥壳的几何性质，采用shell单元；所有的铰接点支座使用几何实体模型，采用solid单元[1]，如图3所示。

图3 矿用自卸车后桥壳加载模型

3 结构有限元方程

本研究中，利用达朗贝尔原理，通过准静态地分析动态事件，对后桥壳的应力情况进行数值分析。以下采用变分法中的Hamilton原理推导有限元基本方程：

式中：[M]为结构总质量矩阵；[C]为总阻尼矩阵；[K]为总刚度矩阵；[Q]为总体力系数矩阵；[H]为总面外力系数矩阵；[U]为结构总位移矩阵；当外力项{F}、{p}、{Fc}均为零时，则式（1）变为求解结构振动模态方程：

4 运行工况

本文充分考虑矿车后桥壳总成面临的恶劣工况后，选取满载正常运行工况作为分析实例，由于该车自制170t，载重230t，因此忽略空载工况，仅对满载工况进行仿真计算；根据不同的工况可对约束进行调整，以保证仿真结果的真实性和可靠性。此时后桥壳约束为轮边A处固支，后悬挂C、D处分别加载的力（考虑3倍的动载荷），三角架轴承座B和横拉杆支座E处分别加载力。经过计算得知，在该工况下后桥壳应力主要集中在后悬挂支座处，最大应力为313.8MPa。后桥壳所受最大应力距其屈服极限仍有1.5倍以上的安全系数，满足设计要求。

5 结论

本文通过对徐工XDE240自卸车后桥壳进行简化与分析，建立出该后桥壳的有限元模型，并采用有限元法对自卸车后桥壳在满载正常行驶的工况下进行仿真分析，计算出后桥壳应力分布，并从分析结果中得出此工况下后桥壳的应力集中点，为矿车后桥壳体结构的设计与优化提供依据，使后桥壳体的力学性能能满足设计要求。结果表明，后轴壳的最大应力小于后轴壳材料的屈服强度，其安全系数大于1.5倍，满足设计要求。