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支架搬運車是煤礦井下綜采工作面快速搬家倒面的專用液壓支架搬運設(shè)備，具有載重能力大、轉(zhuǎn)運速度快、機動靈活、爬坡度大等優(yōu)點，可以實現(xiàn)工作面之間的不轉(zhuǎn)載運輸，極大地提高了煤礦井下的支架轉(zhuǎn)運效率。而重載支架搬運車是指為適應(yīng)大采高綜采工作面的重型液壓支架快速搬運而開發(fā)的，載重量在40 t以上的特種支架搬運設(shè)備。框架式支架搬運車采用無驅(qū)動橋的框架式承載結(jié)構(gòu)和全液壓驅(qū)動方式，輪邊配以馬達(dá)+輪邊行星減速器，如圖所示。煤礦井下工作環(huán)境惡劣，路面坑洼不平，車輛重載運行過程中輪邊減速器將承受較大的沖擊載荷，且減速器承載部件受到拉、壓、彎、扭的交變應(yīng)力的作用，因此必須保證其有足夠的強度，否則將導(dǎo)致減速器承載部件發(fā)生斷裂等失效事故。由于減速器承載軸殼自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通過傳統(tǒng)的計算方法難以實現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)強度的精確計算。本文采用有限元分析方法，對重載框架式支架搬運車輪邊減速器的承載軸殼的強度進(jìn)行了分析計算，得到其應(yīng)力分布情況，為此類型承載部件的強度校核提供了一種可行的計算方法。
輪邊減速器典型工況受力分析，圖為重載框架式支架搬運車輪邊結(jié)構(gòu)圖，減速器兩端分別與機架和輪惘通過螺栓聯(lián)接，驅(qū)動馬達(dá)的扭矩經(jīng)過行星減速器降速后傳遞給輪胎。由圖分析可知整機的工作負(fù)荷最終都由4個減速器的承載軸殼承擔(dān)。減速器承受地面?zhèn)鹘o輪胎的徑向支撐反力F，在車輛轉(zhuǎn)向時又承受地面?zhèn)鹘o輪胎的軸向摩擦力K(方向可能向左，也可能向右)。由上述分析計算，確定了承載軸殼受力分析的邊界條件：最左端軸殼和機架固定處為固定位移約束；靠近左端為軸承1傳遞給殼體的徑向軸承力，方向為沿Y軸正向；靠近右端為軸承2傳遞給殼體的徑向軸承力F，方向為沿Y軸負(fù)向；考慮到拉應(yīng)力對工件破壞較大，并經(jīng)過對比分析，在軸承2右端部螺紋擋圈端面上施加了沿Z軸正向的軸向力F；在外端齒輪處施加了沿圓周切向的扭矩T。
(1)有限元分析理論，有限元法就是把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看成是由有限單元所組成的連續(xù)彈性體。有限元分析過程首先從單元分析入手，確定單元內(nèi)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力模式，并確定單元節(jié)點力與單元節(jié)點位移的關(guān)系，建立單元剛度矩陣。根據(jù)離散化結(jié)構(gòu)的聯(lián)接方式，將各個單元剛度矩陣進(jìn)行組集，得到反映整體結(jié)構(gòu)位移與載荷關(guān)系的總體剛度方程。通過求解該剛度方程可得出各個單元的位移，再利用單元分析得到的關(guān)系求出單元應(yīng)力及其應(yīng)變。即有限元分析的主要內(nèi)容是：單元離散化、單元分析、整體分析。(2)有限元模型的建立，①建立三維模型，首先根據(jù)設(shè)計圖建立精確的三維模型，并對三維模型進(jìn)行合理的簡化處理，去掉對小孔、小圓角、小倒角等對有限元計算影響較小的特征元素。②網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元形狀不好將導(dǎo)致計算結(jié)果誤差變大，單元數(shù)量過多又會導(dǎo)致計算量增加，網(wǎng)格劃分需嚴(yán)格控制單元劃分的質(zhì)量。由于承載軸殼的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一個旋轉(zhuǎn)體，因此可以采用掃掠網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即先在軸向的任一切面劃分網(wǎng)格后，再沿周向掃掠出六面體網(wǎng)格。另外，為保證計算精度又不至于單元數(shù)量過多，確定網(wǎng)格單元尺寸為20 mm，這樣，保證每個實體型面都有2層以上的網(wǎng)格生成。單元總數(shù)為54225個，節(jié)點總數(shù)達(dá)到93444個。
按照1(2)節(jié)的分析，對模型施加有限元分析邊界條件。圖所示為計算所得軸殼的綜合應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看到最大應(yīng)力發(fā)生在施加扭矩面的根部，其值為191 MPa，而在軸承1處的臺階軸根部應(yīng)力值為155 MPa，軸殼材料選擇35CrMo，承載軸殼尺寸范圍的該材料工件屈服極限為490 MPa。根據(jù)以上分析計算，得出結(jié)論：該結(jié)構(gòu)承載軸殼在典型工況下的強度是足夠的，此工況下的安全系數(shù)為2.6，考慮到實際使用中此惡劣工況條件只占所有工況的1/4，因此認(rèn)為該軸殼能夠滿足使用要求。
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