礦車通常由機車牽引,運行于窄軌之上,它可以有效地將所開采礦石及矸石運輸?shù)街付ㄎ恢,是一種優(yōu)良的巷道及井下運輸設(shè)備。按其結(jié)構(gòu)和卸載方式不同,礦車可分為單側(cè)曲軌側(cè)卸式礦車、固定式礦車、翻斗式礦車、底(側(cè))卸式礦車和梭式礦車5大類。其中,單側(cè)曲軌側(cè)卸式礦車是使用頻繁的一種礦山運輸設(shè)備,其特點是機構(gòu)復雜,卸載曲軌通常為空間螺旋線,如用傳統(tǒng)方法設(shè)計,必須通過物理樣機來驗證其設(shè)計方案的可行性,導致設(shè)計過程漫長且費用較高。利用虛擬樣機技術(shù)對礦車的運動過程和力學特性進行計算機仿真,力求獲得滿足實際需要的卸載系統(tǒng),對于提高礦車研發(fā)效率、降低研發(fā)風險、控制設(shè)計成本等具有不可替代的積極作用。
1 工作原理
如圖1所示,2m3單側(cè)曲軌側(cè)卸式礦車的工作原理是在機車牽引下,礦車沿軌道向前運行,卸載推桿通過曲軌過渡裝置時,首先使卸載推桿的間隙消除,當推桿通過曲軌自卸段時,車廂開始繞底盤上的轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn);與此同時,車廂門的鎖鉤在其開起機構(gòu)挺桿的作用下開始回轉(zhuǎn),當車廂傾轉(zhuǎn)達到一定的角度時,鎖鉤與側(cè)門脫開,側(cè)門開起并卸礦。
圖1 單側(cè)曲軌側(cè)卸式礦車
隨著礦車向前運行,推桿被曲軌的表面逐步抬高,車廂繼續(xù)翻轉(zhuǎn),卸載角不斷增大到最大,并保持一段距離,使礦石傾瀉而出;然后,推桿進入曲軌的復位段,礦車各部動作與卸載時剛好相反,側(cè)門在自重作用下逐漸關(guān)閉,鎖鉤復位鉤住側(cè)門,完成一次卸載過程。由于卸載過程中礦車受力狀況復雜,整個礦車要承受較大的沖擊載荷,因此卸載能否順利進行在很大程度上取決于曲軌的形狀和推桿的形狀位置尺寸。曲軌形狀的設(shè)計及推桿形狀位置尺寸的合理與否,將直接關(guān)系到礦車卸載的平穩(wěn)性和使用壽命。
2 礦車設(shè)計
礦車的推桿在曲軌上運行,其運行的平穩(wěn)性主要由曲軌的外形決定。為保證推桿不在曲軌上發(fā)生側(cè)滑,理論上要求曲軌的工作表面應(yīng)和推桿在卸載的任何時刻都保持垂直,不產(chǎn)生任何附加彎矩;因此,曲軌設(shè)計顯得尤為重要,其形狀的好壞直接關(guān)系到礦車工作時是否產(chǎn)生沖擊,是否安全可靠。2m3單側(cè)自卸式礦車的曲軌曲線及曲軌如圖2所示。
圖2 曲軌曲線及曲軌
推桿裝置的形狀尺寸及其在車體上的安裝位置在礦車卸載過程中占有重要的地位,推桿裝置設(shè)計應(yīng)注意以下2種情況:1)推桿滾輪的回轉(zhuǎn)軸線必須始終與車廂卸載回轉(zhuǎn)軸相交,這樣可以保證卸載過程中推桿滾輪面始終與曲軌面垂直,且不產(chǎn)生側(cè)滑;2)推桿軸的安裝位置必須與車廂卸載回轉(zhuǎn)軸位置、曲軌形狀及推桿幾何形狀相匹配,這樣既能很好地完成卸礦,又能使其不與曲軌和頂桿裝置相干涉。如圖3所示為一典型的礦車推桿裝置。
圖3 推桿裝置
2m3單側(cè)自卸式礦車的底盤如圖4所示,它是整個車體和礦物的承載結(jié)構(gòu)和走行機構(gòu),其設(shè)計精度決定了礦車的整體功能;因此,必須對其加以認真仔細的研究。
圖4 底盤
礦車車廂如圖5所示,是礦物承載容器,車廂側(cè)門如圖6所示,車廂及側(cè)門均由熱軋型鋼和鋼板拼焊而成,它們之間的連接既要保證卸載時側(cè)門最大限度的開起,又要保證運輸時的可靠閉合。
圖5 車廂
圖6 側(cè)門
3 礦車自由度計算
在推桿裝置進入曲軌卸載段時,礦車系統(tǒng)可以簡化為如圖7所示的連桿機構(gòu),要使其具有確定的運動,原動件的數(shù)目必須等于機構(gòu)的自由度數(shù)。礦車卸載屬空間機構(gòu)問題,其自由度的計算需要考慮各構(gòu)件的6個自由度?臻g運動副主要包括Ⅰ級副~Ⅴ級副,其所提供的約束數(shù)目分別是1~5。設(shè)空間機構(gòu)共有n個活動構(gòu)件,p1個Ⅰ級副,p2個Ⅱ級副,p3個Ⅲ級副,p4個Ⅳ級副和P5個Ⅴ級副,則機構(gòu)的自由度可表示為:
圖7 礦車各構(gòu)件自由度圖
推桿裝置中滾輪的滾動副屬于虛約束,可以忽略,而底盤與鋼軌間的2個移動副具有相同的運動規(guī)律,可以看作是一個移動副。代入式1可得:
可見,整個礦車的自由度為1,系統(tǒng)具有確定的運動規(guī)律。
當推桿進入曲軌過渡段時,推桿與車廂間形成轉(zhuǎn)動副。當推桿通過曲軌過渡段進入卸載段后,上述轉(zhuǎn)動副消失,此時只需考慮礦車進入卸載段時是否對車體產(chǎn)生沖擊。
4 力學方程建立
如圖7所示為單側(cè)曲軌自卸式礦車多剛體動力學模型,在對其進行分析計算時,可不考慮構(gòu)件的彈性變形,礦車運動過程中,須進行如下假設(shè):1)系統(tǒng)構(gòu)件都看作剛體,不考慮其彈性變形;2)運動副中無間隙和摩擦;3)構(gòu)件的運動速度不高。
把構(gòu)件所受外力及質(zhì)量轉(zhuǎn)化到等效構(gòu)件上,使其運動與機構(gòu)的實際運動一致,并建立等效構(gòu)件的動力學模型,據(jù)此,將復雜系統(tǒng)的動力學問題看作是等效構(gòu)件的動力學問題來求解。
4.1 等效力與等效力矩
根據(jù)功能原理,等效力和等效力矩所做功與外力或外力矩所做功應(yīng)該相等。設(shè)Fk(k=1,2,…,m)和Mj(j=1,2,…,n)分別為作用在礦車系統(tǒng)上的外力和外力矩,根據(jù)等效力Fe和等效力矩Me的功率與機械系統(tǒng)的總功率相等可得:
式中,ω為等效構(gòu)件的角速度;v為等效構(gòu)件的速度;vk為外力Fk作用點的速度;ωj為外力矩Mj作用在構(gòu)件的角速度。
根據(jù)式2可求出Fe和Me的表達式為:
式中,αk為Fk與Vk的夾角。
從式3可以看出,等效力和等效力矩不僅與構(gòu)件所受的外力和外力矩有關(guān),而且還與其傳動比(ωj/v、vk/v(或ωi/ω、vk/ω)有關(guān)。
4.2 質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量確定
等效構(gòu)件所具有的總動能是各構(gòu)件的分動能之和,因此,做空間運動的構(gòu)件所具有的動能為:
式中,m為構(gòu)件的質(zhì)量;I為構(gòu)件相對于質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量;Vr為構(gòu)件質(zhì)心的速度;ω為構(gòu)件的角速度。
對于做平動或定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件,式4可分別簡化為:
式中,Io為構(gòu)件相對于其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
根據(jù)動能相等的原則,等效構(gòu)件的質(zhì)量me和轉(zhuǎn)動慣量Ie應(yīng)滿足:
推導出的等效構(gòu)件的質(zhì)量me和轉(zhuǎn)動慣量Ie可表示為:
式中,vk為第i個構(gòu)件質(zhì)心速度;ωi為第i個構(gòu)件角速度;n為活動構(gòu)件數(shù)量。
據(jù)此可確定礦車系統(tǒng)的質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量。由于計算過程簡單而繁復,因此本文僅給出計算所得的結(jié)果,具體數(shù)據(jù)見表1。
表1 各部件的質(zhì)量分布及相關(guān)數(shù)據(jù)
4.3 動力學方程建立
取單個礦車為研究對象,卸載軌道內(nèi)外礦車底盤的運動規(guī)律相同,且僅做平動;卸載段和復位段間的直線段距離為1.4m;鼓形推桿滾輪和卸載曲軌間為光滑接觸,且在其上做純滾動。
根據(jù)動力學普遍方程,可得出多剛體系統(tǒng)的動力學方程為:
式中,
Mi為剛體i的質(zhì)量;[gi]為剛體i的中心慣性張量;ri為剛體i的質(zhì)心矢徑;ωi為剛體i的轉(zhuǎn)動角速度;δP為系統(tǒng)內(nèi)力所完成的虛功率以及解除約束后的約束反力所做的虛功率總和;Fqi為作用在剛體i的外力主矢;M為作用在剛體i的相對質(zhì)心的主矩,則其矩陣形式為:
式中,
5 礦車穩(wěn)定性校核
礦車車廂未翻轉(zhuǎn)時,可把推桿裝置、車廂和掛鉤看作整體,而側(cè)門看作是一個部件。其重心位置如圖8所示,坐標系見表2。
圖8 礦車原始狀態(tài)重心位置
表2 礦車未翻轉(zhuǎn)時的重心坐標
當車廂圍繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)過40°時,車廂側(cè)門打開,通過坐標轉(zhuǎn)換求得車廂在最大翻轉(zhuǎn)角度時礦車的重心坐標。
整個車廂在回轉(zhuǎn)40°時的重心橫坐標為:
回轉(zhuǎn)中心距2條軌道對稱中心面的水平距離是452mm,軌距是973.5mm,則973.5/2-(452-102)=136.75(mm)。由此可見,當車廂翻轉(zhuǎn)40°時,整個礦車距右邊軌道內(nèi)側(cè)的距離為136.75mm,礦車不會產(chǎn)生傾翻;因此,礦車是穩(wěn)定的。
6 結(jié)語
以單側(cè)自卸式礦車為研究對象,對其性能進行了理論分析,綜合運用三維CAD軟件,建立其虛擬樣機模型,然后進行了運動分析。運用虛擬樣機技術(shù)對單側(cè)曲軌自卸式礦車進行了研發(fā),建立了其虛擬樣機模型,為后續(xù)的分析奠定了基礎(chǔ)。研究了該礦車的主要部件及各部分的作用,并對其關(guān)鍵的零部件進行了分析。基于單側(cè)曲軌自卸式礦車的主要工況,建立了其力學方程。對該型礦車的穩(wěn)定性進行了校核。
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本文標題:單側(cè)自卸式礦車研究
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