矿用自卸车物料倾卸过程受力分析

王国宝,祁玉龙,2,周生霞，梁 康

(1.徐工集团江苏徐州工程机械研究院 产品研发中心,江苏 徐州 221004; 2.清华大学 环境学院,北京 100084;3.中国石化管道储运有限公司 抢维修中心，江苏 徐州 221008)

在装载及运输货物过程中,货物产生的冲击力及全部质量主要由车架承担.由于车厢与车架的接触主要是面接触,应力集中相对较弱.举升过程中,车厢及货物的质量主要由举升油缸和后铰支点承担,其接触形式主要是点接触,应力集中情况较严重.因此,分析物料倾卸过程对矿车车厢、举升机构和后铰支点等相关结构的设计具有重要意义.

目前,车厢和举升等结构的设计过程通常进行满载举升不卸货分析,即举升过程中不考虑物料滚落过程.依据该方法得到的设计数据不符合实际生产需求,易导致部分结构的设计冗余度大和车厢质量超重等问题.同时考虑结构质量时,易产生部分关键结构部件设计冗余度不足,无法满足结构使用寿命等问题.针对这些问题,葛志伟等[1]针对铲斗型自卸车车厢结构,建立平装条件下货物倾卸数学模型,给出物料质心位置变化曲线.马洪峰等[2]分析矿用自卸车车厢设计发展趋势及实际特点,考虑车厢结构形式及承载工况,进行车厢结构优化设计,并有限元仿真分析验证结论.董志明等[3]分析了车厢在物料运输、举升卸料、装载物料等工况下的受理情况,得出了对应工况下的动态变化载荷.武建强等[4]采用离散元软件分析了不同颗粒下物料卸料的过程,得出了不同颗粒对卸料过程的影响程度.

因此,本文依据岩土摩擦理论,分析矿用卡车倾卸过程中车厢及残余物料的质量、质心位置的变化函数,给出举升结构受力情况,为车厢结构优化设计提供基础.

1 物料倾卸过程分析

物料倾卸过程中,举升油缸伸长,车厢举升角度增大,车厢与水平面的倾斜角度增大,物料堆积角逐渐增大,当物料堆积角到达该物料的安息角时,物料沿物料坡面滚落.在该过程中,车厢的质量不变,残余物料质量、残余物料质心位置和车厢质心位置均随举升角度增大而连续变化.

1.1 物料堆积模型

车厢是矿用自卸车的重要功能部件之一,其结构形式决定车厢容积及货物堆积形式.本文分析的车厢底板采用经典的前低后高式结构,其倾斜角为9°,从而防止矿车爬坡过程物料滚落.车厢两侧板为平行结构,保障车厢容积.车厢前挡板带防砸护罩,保护驾驶平台的安全.该型车厢采用无后栏挡板设计,保障矿车卸货效率.

如图1所示,针对矿用卡车车厢结构,依据ISO 6483标准,构建2∶1满载条件下物料堆积模型,得到近似物料模型，如图2所示.

图1 物料2∶1堆装示意图Fig.1 The proportion 2∶1 of the material stowage

1.2 物料倾卸机理

假定物料材质一致,颗粒均匀,空气及水分含量一致.忽略物料颗粒之间黏性,由于均质无黏性土颗粒间无内聚力,物料堆积失稳主要是由单个土颗粒的滑动引起的.物料失稳的主要形式是物料颗粒沿坡面滑动[5].

图2 物料堆积模型Fig.2 The material accumulating model

举升过程中,物料堆积角不断增大,物料颗粒重力沿坡面下滑力Wsinβ逐渐增大，如图3所示.当物料质点重力沿坡面下滑力与物料颗粒切向摩擦阻力T′相等时,该物料质点处于平衡状态,此时物料堆积角β即为物料安息角.随举升机构进一步举升,物料堆积进一步增大时,物料颗粒重力沿坡面下滑力大于物料颗粒切向摩擦阻力T′,物料沿堆积坡面滚落.

图3 物料倾卸机理Fig.3 Mechanism of conducting material dump

临界状态为

(1)

即

(2)

式中:W为物料颗粒重力;T′为切向摩擦阻力;N为坡面法向支撑力;β为堆积坡面与水平面的夹角;μ为物料静摩擦系数.

物料的安息角为β,任意时刻物料堆积角均不可能大于β,超出安息角部分的物料将沿物料堆积坡面滚落.自卸车倾卸物料过程中,物料堆积角不断增大,超出物料安息角的物料将沿物料安息面滚落,从而实现物料的倾卸.因此,物料倾卸过程中,物料倾卸速率与安息面的面积呈正比.如图4所示,车厢内物料堆积角度均与物料安息角β相等.

图4 物料倾卸过程Fig.4 The material dump process

2 质量及质心函数

满载条件下,举升过程汇总的负载主要由两部分决定,车厢的质量及质心位置、残存物料质量及质心位置.下面就这两个方面展开研究.

如图5所示,以车辆行驶方向为y轴,以高度方向为z轴,依据右手螺旋准则确定x轴,以举升铰支点中轴线建立坐标系.

图5 举升铰支点坐标系Fig.5 The coordinate system of lifting hinge pivot

2.1 车厢质心函数

初始满载条件下车厢质心位置如下:x=0 mm;y=2 028.6 mm;z=1 095.3 mm.

忽略车厢的磨损与变形,车厢的质量不变,车厢的质心绕坐标原点做圆周运动.

图6 车厢重心位置示意图Fig.6 The carriage center of gravity position

车厢质心位置函数为

z=G1L1cos(α+α0)

(5)

式中:L1为车厢质心距铰支点的距离;α为车厢举升角度;α0为车厢重心初始位置角度;G1为车厢重力.

2.2 物料质心函数

依据ISO 6483标准建立的物料堆积模型,如图7和图8所示.对物料堆积模型边界面进行编号,则该模型方程可以表示为

图7 zOy平面物料示意图Fig.7 The zOy-plane of material

图8 zOx平面物料示意图Fig.8 The zOx-plane of material

第1边界:

(6)

第2边界:

(7)

第3边界:

(8)

第4边界:

(9)

第5边界:

(10)

第6边界:

(11)

第7边界:

(12)

第8边界:

(13)

第9边界:

(14)

第10边界:

(15)

依据物料倾卸速率,如图7所示,假定物料倾卸过程可以划分为4个阶段,分别针对这4个阶段重积分计算物料质心:

第1阶段,倾卸安息面在ABC区域内;第2阶段,倾卸安息面在ACD区域内;第3阶段,倾卸安息面在ADE区域内;第4阶段,倾卸安息面在AEO区域内.

3 结果分析

依据以上分析得到残余物料与车厢复合质量及质心变化函数,进而推算后铰支点及举升油缸受力曲线,为矿用自卸车相关结构设计提供技术基础.

3.1 复合质量曲线

由图9曲线所示,复合质量即车厢质量与残余物料质量之和.举升过程中,复合质量随举升角度的增大而逐渐减小,且物料倾卸速率与安息面的面积成正比,当安息面最大时,物料倾卸速率最大.物料倾卸完毕后,复合质量与车厢的质量相等.

图9 复合质量变化曲线Fig.9 The change curve of the composite quality

3.2 复合质心位置曲线

如图10所示,车厢和残余物料的复合质心位置随举升角度的变化而变化.

水平方向,随着举升角度的增大,复合质心y轴数值降低,如abcd曲线所示.竖直方向,举升初始阶段,仅有少部分物料滚落,滚落部分物料对复合质心位置的影响较弱,复合质心随举升角度的增大而升高,如ab段曲线所示.随着举升角度的增大,物料滚落速率增大,复合质心随举升角度的增大而降低,如bc段曲线所示.进一步举升,大部分物料已经滚落,车厢质量及质心位置对复合质心的作用较大,复合质心进一步提高[6],如cd段曲线所示.

图10 复合质心位置曲线Fig.10 The curve of the composite center-of-mass

3.3 举升油缸受力曲线

如图11所示,满载举升卸货与满载举升不卸货条件下,举升油缸的受力变化趋势基本一致,均随举升高度的增大而降低.满载举升不卸货与满载举升卸货的相对误差在±10%之间[7].

图11 举升油缸受力曲线Fig.11 The forcing curve of lifting oil cylinder

3.4 举升铰支点受力曲线

如图12所示,在满载举升卸货与满载举升不卸货条件下,举升油缸的受力变化趋势相差较大.在满载举升不卸货条件下,举升铰支点的受力随举升角度的增大而不断增大;在满载举升卸货条件下,举升初始阶段举升铰支点受力逐渐增大,随举升角度的增大举升铰支点的受力到达最大值后逐渐降低.满载举升不卸货相对于满载举升卸货,前者条件下举升铰支点所受最大力是后者的3.9倍.

图12 举升铰支点受力曲线Fig.12 The forcing curve of lifting hinge pivot

4 结论

针对矿用卡车,构建物料堆积模型,研究物料倾卸机理,分析满载举升卸货条件下物料倾卸过程,获得以下结论:

(1) 以物料安息角为临界角,分析物料倾卸过程,得到满载举升卸货条件下复合质量变化曲线、复合质心变化曲线、举升油缸受力变化曲线和举升铰支点受力曲线;

(2) 在满载举升不卸货和满载举升卸货条件下,举升油缸的受力变化趋势基本一致,相对误差在±10%之间;

(3) 在满载举升不卸货和满载举升卸货条件下,举升铰支点受力变化趋势不同,满载举升不卸货相对于满载举升卸货,前者条件下举升铰支点所受最大力是后者的3.9倍.

参考文献:

[1] 葛志伟,朱晓凯,李强.铲斗形自卸车倾卸过程中货物的数学模拟[J].专用汽车,1999(4):16-19.

GE Z W,ZHU X K,LI Q.Math simulation of cargo when spade-tram shape dump trucks are unloading[J].Special Purpose Vehicle,1999(4):16-19.

[2] 马洪峰,董栓劳,孟庆勇,等.某型矿用自卸车车厢结构设计与分析[J].工程机械,2012,43:34-36.

MA H F,DONG S L,MENG Q Y,et al.Design and analysis on structure of truck body for a mining dumper[J].Construction Machinery and Equipment,2012,43:34-36.

[3] 董志明,郭海全,潘艳君,等.矿用自卸车车厢力学性能研究[J].中国矿业,2017(7):159-163.

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[5] 申焱华,魏福林,石博强.基于退化过程的矿用自卸车货箱磨损预测分析[J].中国工程机械,2016(21):2846-2854.

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[7] 胡晓乐,吴晓,罗薇.基于ADMAS和ANSYS的液压举升机构优化与结构分析[J].机械设计与制造,2012(4):192-194.

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