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NTE240 型矿用车驱动桥壳结构强度与模态分析

杨芙蓉陈锋锋董志明任学平
0引言矿用自卸车主要用于露天矿山运输 ， 少量用于采石场和大型建筑工程工地 ， 在装料场与卸料场之间短距离往返运送矿石和岩石等物料 。 由于矿区道路一般为临时路面 ， 地面比较坑洼 ， 因此路面冲击严重 ， 工作条件十分恶劣 。 驱动桥壳作为电动轮矿用自卸车的主要承载部件 ， 不仅要承受车架和悬架传递的载荷 ， 还要承受来自地面的冲击载荷 ， 其性能直接影响电动轮矿用自卸车的安全性及可靠性 。 因此 ， 矿用自卸车的驱动桥壳必须具有一定的强度、刚度和良好的动态特性 。 本文以NTE240型电动轮矿用自卸车的驱动桥壳为例 ， 利用有限元分析方法进行了满载静力学分析和模态分析 。
1建立驱动桥壳的有限元模型1.1几何模型的建立驱动桥受力复杂 ， 施加于桥壳的载荷主要有驱动桥壳的A型架铰接处所受的纵向水平作用力、桥壳的横拉杆所受的来自后桥与车架之间的横向水平作用力以及后悬架下支座所受的来自于后悬架传递的垂直载荷 。
考虑驱动桥壳是一个非常复杂的组合结构 ， 利用专用的三维建模软件Pro/E进行实体建模过程中对桥壳模型进行一定的简化 ， 但保留桥壳上主要受力部件的结构外形 ， 以反映桥壳的力学性能 ， 建立一个有效简单正确的几何模型 ， 如图1所示 。
NTE240 型矿用车驱动桥壳结构强度与模态分析
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图1驱动桥壳的几何模型
1.2模型的导入和网格划分AnsysWorkbench平台是Ansys公司的多物理场及优化分析平台 ， 用于解决产品研发过程中CAE软件的异构问题 。 其用户界面直观高效 ， 具有可靠的几何模型导入能力、强大的网格处理力、省时的CAD双向参数链互动和全面的参数管理以及DOE优化和参数实时双向变化技术 。 在AnsysWorkbench中导入图1所示的装配模型 ， 系统自动对桥壳组装件建立bonded接触 ， 在bonded接触中 ， 其接触面或边之间没有切向相对滑动或者法向相对分离 。 相对于线性分析 ， bonded接触能满足要求 。 在Workbench中利用Multizone网格划分方法对后悬架下支座和后桥横拉杆进行六面体网格划分 ， 对其余部分采用SolidShell单元用Sweep方法进行划分 ， 得到如图2所示的网格划分图 。 划分后该有限元模型节点数202038个 ， 单元数74338个 。 该桥壳由HG70钢板焊接而成 ， HG70是高强度焊接结构钢 ， 其弹性模量E=200GPa,泊松比μ=0.3 ， 材料密度为7800kg/m3 。 抗拉强度为685MPa ， 屈服极限为590MPa 。
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图2驱动桥壳的网格模型图
1.3约束和载荷的施加矿用自卸车在实际行驶过程中工况极其复杂 ， 本文选取2种极限工况进行计算 ， 即满载状态下的动载荷工况和最大加速度启动工况 。 根据矿山路面情况 ， 动载荷工况下后桥承受的载荷为随机载荷 ， 由于随机载荷计算的复杂性 ， 一般取动载荷系数为3 ， 主要对垂直力产生影响 ， 其单个悬架下支座所受力为2352kN 。 在满载状态最大加速度启动工况下主要受力有A型架铰接处所受的纵向水平作用力、悬架下支座所受的垂直力和桥壳两端所受的扭矩 。 输入到轮边马达的扭矩M=780kN·m 。 经桥壳两端传递给A型架铰接处的水平力
F=M/R=845.528kN
式中：R为车轮半径 。 单个支座所受力为满载状态下考虑载荷转移系数后所受压力的一半 ， 即为1290kN 。 对于动载荷工况和最大加速度启动工况 ， 约束加在A型架铰接处 ， 限制其X、Y方向的平移和转动以及Z轴上的移动 ， 同时对桥壳两端施加约束 ， 模拟桥壳两端简支支撑 。
2驱动桥壳的静动态有限元分析2.1驱动桥壳极限工况分析根据满载动载荷工况的运动和受力情况 ， 对驱动桥壳施加相应约束和载荷 ， 求解结果见图3和图4 。
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【NTE240 型矿用车驱动桥壳结构强度与模态分析】图3应力云图
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图4变形云图
从图3可以看出 ， 后悬架支座上的最大应力为330.08MPa ， 位于悬架支座端部与桥壳的焊接处 ， 小于桥壳材料的屈服极限590MPa ， 故桥壳在强度方面满足要求 。 从图4可以看出 ， 桥壳发生变形的最大位移为1.25mm ， 其每米轮距最大变形量为0.23mm ， 小于规定的1.5mm/m 。 因此在满载动载荷工况下驱动桥壳结构设计满足要求 。 根据满载最大加速度启动工况的运动和受力情况 ， 对驱动桥壳施加相应约束和载荷 ， 求解结果见图5和图6 。
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图5应力云图
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图6变形云图
从图5可以看出 ， 后悬架支座上的最大应力为182.95MPa ， 位于后悬架下支座与桥壳的焊接位置 ， 主要受到悬架对支座的冲击 ， 是由悬架传递到后桥壳上的力造成的 ， 其数值小于材料的屈服强度590MPa 。 从图6可知 ， 驱动桥壳的最大变形为0.62283mm ， 每米轮距的最大变形量为0.1143mm ， 小于规定值 。 因此 ， 在满载最大加速度启动工况下桥壳结构设计满足要求 。 2.2驱动桥壳模态分析模态分析虽然是最简单的动力学分析 ， 却有极大的实用价值 ， 可以确定结构的固有频率和振型 ， 避免发生共振 ， 预测在不同载荷下结构的振动形态 ， 同时其还是随机振动分析、响应谱分析、谐响应分析等动力学分析的基础 。 通过Ansys进行模态分析 ， 将桥壳模型AnsysWorkbench进行相应的接触设置和网格划分 。 模态分析的提取方法采用分块Lanczos法 ， 提取桥壳前14阶频率 ， 其固有频率如表1所示 。
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由表1可知 ， 桥壳前6阶固有频率为刚体模态 ， 第7阶到第10阶的模态振型云图如图7~图10所示 。
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图7第7阶振型云图
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图8第8阶振型云图
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图9第9阶振型云图
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图10第10阶振形云图
对自卸车驱动桥壳的激励主要来自于路面激励以及发动机的振动频谱成分 。 路面激励频率主要属于高程部分 ， 而驱动桥壳的频率偏低 ， 两者频率成分并不相称 ， 能避免发生共振 。 发动机的转速一般为1500~2500r/min ， 其频率范围为25~41.67Hz ， 由表1可知驱动桥壳的频率小于15Hz ， 大于55Hz ， 可有效避开发动机的工作频率 。 因此 ， 驱动桥壳有效避免了由于路面不平度和发动机引起的共振 ， 其结构设计较合理 。
3结语本文对NTE240型电动轮矿用自卸车驱动桥壳进行了静力学分析 ， 得到桥壳在多种工况下整体的应力变形分布规律 ， 可以发现桥壳具有较大的安全裕度 ， 强度和刚度符合要求 。 在模态分析中 ， 桥壳的频率避开了由于路面激励和发动机工作频率引起的共振 ， 结构设计合理 。 本文的分析结果可以为桥壳结构的动力学分析和改进桥壳的设计提供依据 。


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