（机械设计及理论专业论文）基于ansys的1t固定车箱式矿车轻型化研究.pdf

ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho no n et o n s t a t i o n a r yc a r r i a g em i n e c a r sf o rl i g h t w e i g h tq u a l i t yb a s e do na n s y s c a n d i d a t e ：q uf 锄g s u p e r v i s o r ：p r o f ：x uw e n j u a n s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g e n e e r i n g h e i l o n g j i a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c e a n d t e c h n o l o g y h a r b i n ，p r c h i n a ，1 5 0 0 2 7 j u n e2 0 1 0 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 避 日 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布 ( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名：蝣导师签名 摘要 矿车属于标准窄轨车辆，主要用来装载煤炭( 矿石) 或矸石，以及 其他散状物料，是矿山生产中必不可少的运输车辆。矿车本身属无动力 车辆，在矿山所使用的矿车主要有两种方式，一种是用电机车牵引一组 矿车在平巷轨道上运行，另一种是用绞车牵引一串矿车在倾斜的井筒中 或巷道中的轨道上运行。由于绞车钢丝绳钩头能力以及电机车牵引力等 的限制，所能牵引的矿车数量是有限的。因此，在矿车载重一定的前提 下，矿车自重越大，所能牵引的矿车数量越少，机车或串车运输、提升 能力越小，运输、提升效率越低。显然，对矿车进行轻型化研究具有重 大的实用意义。 本文以1 t 固定车箱式矿车为研究对象，通过对矿车自重及其重心位 置对其运行特性的影响分析，提出了矿车轻型化方案。以轴的轻型化为 研究内容，根据矿车典型运行工况轴的受力特征，运用a n s y s 软件建 立矿车车轴的三维有限元分析模型，分别进行了实心轴、整体空心轴和 局部空心轴的应力和变形分析，在满足强度和刚度的前提下，给出了空 心段轴的最佳内径，对轴的轻型化实用设计提供参考。以车箱的轻型化 为研究内容，根据矿车典型运行工况车箱的受力特征，分别通过减小原 车箱壁厚并进行局部加强和材料替换法来实现车箱的轻型化。运用 a n s y s 软件分别建立了原q 2 3 5 材料和替换后的1 6 m n 材料矿车车箱的 三维有限元分析模型，分析了车箱的应力分布规律及变形情况，确定了 1 6 m n 材料矿车车箱的合理壁厚，以及减薄后q 2 3 5 材料车箱强度和刚度 的加强方式以及需要加强的部位，并对加强后的车箱进行了强度和刚度 校核，为车箱的轻型化实用设计提供参考。 关键词：矿车；车轴；车箱；有限元分析；轻型化 a b s t r a c t m i n ec a r sb e l o n gt os t a n d a r dn a r r o w - g a u g ev e h i c l e s ，w h i c ha r em a i n l yu s e d t ol o a d c o a l ( o r e ) ，o rw a s t er o c k ，a n d o t h e rb u l km a t e r i a l s i nm i n i n g h o i s t - c o n v e y o rs y s t e m ，t h em i n e c a r sa r ei n d i s p e n s a b l e t h em i n ec a r sa r e n o n - p o w e r e dv e h i c l e s ，a n dt h e r ea r et w om a i nm e t h o d st ou s e ，o n em e t h o di so f e l e c t r i cl o c o m o t i v ep u l l i n gam i n ec a ri nt h el a n eo r b i t ，a n dt h eo t h e ri st ou s ea b u n c ho fc a r sw i t hw i n c ht r a c t i o ni nt i l ts h a f to rt u n n e lo ft r a c k b e c a u s eo ft h e w i n c hr o p eh o o kc a p a c i t y ，e l e c t r i cl o c o m o t i v et r a c t i o na n do t h e rr e s t r i c t i o n so n t h en u m b e ro fa v a i l a b l et r a c t i o no ft h em i n ec a ri sl i m i t e d ，s ot h eg r e a t e rw e i g h t o ft h em i n ec a r ，t h ef e w e rn u m b e ro ft h em i n ec a ru n d e ra v a i l a b l et r a c t i o n ，t h e c a p a c i t yo fm o t o r c y c l eo ras t r i n go fc a rt r a n s p o r ts m a l l e r ，t h et r a n s p o r t a t i o n e f f i c i e n c yl o w e r i ti sc l e a rt h a tr e s e a r c h i n go nl i g h t w e i g h to ft h em i n ec a rh a s g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ，o n et o ns t a t i o n a r yc o a c h - t y p em i n ec a r sw e r eu s e da st h er e s e a r c h o b j e c t ，t h r o u g ho fm i n ec a r so ft h e i rw e i g h ta n dt h e i rc e n t e rg r a v i t yl o c a t i o no fo p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m p a c ta n a l y s e ，p u tf o r w a r dt h el i g h t w e i g h to ft h em i n ee a r s p r o g r a m u s et h el i g h t w e i g h to fs h a f ta sr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c c o r d i n gt ot h et y p i c a l r u n n i n gm i n ec a rc o n d i t i o n sa x i sf o r c ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n s y ss o f t w a r ei su s e dt o e s t a b l i s ht h em i n ec a ra x l et h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l r e s p e c t i v e l y i th a das o l i da x l e ，h o g o wa x l ea n dl o c a lh o l l o wa x l es t r e s sa n ds t r a i na n a l y s i s f a l li nt h e p r e m i s eo ft h es t r e n g t ha n ds t i f f i a e s s ，i tg i v e so p t i m u md i a m e t e ro f h o n o wa x l ea n dp u t f o r w a r dt h el i g h t w e i g h tp r a c t i c a ld e s i g nr e f e r e n c e t a k et h el i g h t w e i g h tc a r r i a g ei n t o r e s e a r c hc o n t e n t s ，a c c o r d i n gt ot h e t y p i c a lr u n n i n gc o a c hc o n d i t i o n so ft h ef o r c e c h a r a c t e r i s t i c s ，r e s p e c t i v e l y , b yr e d u c i n gt h et h i c k n e s so ft h eo r i g i n a lc a r r i a g e sa n d c o n d u c tl o c a lr e i n f o r c e m e n ta n dm a t e r i a ls u b s t i t u t i o nt oa c h i e v et h el i g h to fc o a c h w e u s ea n s y ss o f t w a r et oe s t a b l i s had i f f e r e n tt h i c k n e s st h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l 、历t l l m a t e r i a l s1 6 m na n dq 2 3 5a n dd r a wc o a c ho ft h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o n ，t o d e t e r m i n et h em a t e r i a l1 6 m nc a r r i a g e sr e a s o n a b l ew a l lt h i c k n e s s ，a f t e rt h i n n i n gc a r r i a g e s q 2 3 5m a t e r i a ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h es t r e n g t h e n i n go fm o d a l i t i e s ，a n dt h en e e dt o t h es i t e ，s t r e n g t h e na n dt h ee n h a n c e ds t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fc a r r i a g e sw e r ec h e c k i n gf o r t h ec o a c ho ft h el i g h t w e i g h tp r a c t i c a ld e s i g nr e f e r e n c e k e yw o r d s ：m i n ec a r ；a x l e ；c o a c h ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；l i g h t w e i g h t 一 i 目录 第l 章绪论1 1 1 矿车的用途及主要技术经济指标1 1 2 矿车轻型化的意义1 1 3 国内外高强轻质材料研究现状、水平和在矿山的应用3 1 4 关于矿车的相关研究6 1 5 研究内容、目的和意义6 1 6 本章小结7 第2 章1 t 固定车箱式矿车的结构及主要特征参数8 2 11 t 固定车箱式矿车结构概述及基本部件8 2 21 t 固定车箱式矿车的主要特征参数1 1 2 2 1 矿车的主要参数1 l 2 2 2 矿车的主要尺寸1 2 2 2 31 t 固定车箱式矿车的主要特征参数及尺寸1 2 2 3 本章小结1 2 第3 章矿车运行状态及受力分析1 3 3 1 电机车牵引矿车在平巷轨道上运行的工况及受力分析1 3 3 1 1 启动加速状态1 3 3 1 2 匀速运行状态1 5 3 1 3 惯性减速或制动减速状态1 5 3 2 绞车牵引串车沿斜井( 或斜巷) 轨道运行的工况及受力分析1 7 3 2 1 级辑引重串车张 ；箨阱( 或斜巷) 勒j 酋e 坡启动运行1 8 3 2 2 绞车牵引重串车沿斜井( 或斜巷) 轨道匀速匕挹1 8 3 2 3 绞车牵引重串车沿斜井( 或斜巷) 轨道减速匕据1 8 3 3 斜井( 或斜巷) 跑车受阻时矿车受力分析1 9 3 4 几种工况矿车受力比较1 9 3 5 本章小结1 9 第4 章矿车质量及其质心位置对运行特性的影响分析2 1 4 1 矿车质量对矿车使用经济性的影响分析2 1 4 1 1 大巷电机车运输时车组中的矿车数2 1 4 1 2 斜井( 或斜巷) 串车提升时车组中的矿车数2 1 4 1 3 矿车质量对矿车使用经济性的影响分析2 1 4 2 矿车质量对运行稳定性的影响分析忽 4 2 1 单车的横向稳定性2 2 4 2 2 斜井( 或斜巷) 跑车受阻时矿车的纵向稳定性2 3 4 2 3 绞车牵引矿车沿斜井( 或斜巷) 轨道向稳定性2 4 4 2 4 矿车质量对运行稳定性的影响分析2 5 4 3 矿车质量对几种工况下碰撞特性的影响分析2 6 4 3 1 矿车质量对矿车之间碰撞力的影响分析2 6 4 3 2 矿车质量对矿车与刚性车挡碰撞力与碰撞时间分析2 6 4 4 矿车质量对车体振动特性的影响分析2 7 4 5 固定车箱式矿车轻型化途径分析2 7 4 6 本章小结2 7 第5 章l t 固定车箱式矿车车轴的轻型化研究2 9 5 1 矿车轴常规设计理论2 9 5 1 1 车轴受力分析2 9 5 1 2 车轴受力叠加计算法2 9 5 1 3 车轴受力当量负荷计算法3 3 5 1 4 车轴计算方法的比较与选择3 4 5 2l t 固定车箱式矿车车轴的减重方案3 5 5 2 1 车轴的强度分析及减重方案3 5 5 2 2 整体空心轴或局部空心轴内径的确定3 6 5 3 基于a n s y s 的矿车轴有限元模型的建立与分析3 9 5 3 1 有限元法及a n s y s 软件简介3 9 5 3 2 实心轴有限元模型的建立及应力和变形求解4 0 5 3 3 整体空心轴及局部空心轴有限元模型的建立及求解4 1 5 3 4 实心轴、整体空心轴及局部空心轴强度刚度对比分析4 2 5 3 5 动载荷对三种轴的强度和刚度的影响分析4 3 5 3 6 整体空心轴、局部空心轴减重效果分析4 4 5 4 车轴轻型化讨论4 5 5 5 本章小结4 5 v 第6 章1 t 固定车箱式矿车车箱的轻型化研究4 7 6 11 t 固定车箱式矿车典型工况车箱受力计算4 7 6 1 1 电机车牵引重车组上坡加速运行时车箱受力计算4 7 6 1 2 电机车牵引重车组制动减速运行时车箱受力计算5 2 6 1 3 绞车牵引重车组启动加速运行时车箱受力计算5 2 6 2q 2 3 5 材料车箱有限元分析及减重方案5 3 6 2 10 2 3 5 材料车箱强度和刚度的有限元分析5 4 6 2 2q 2 3 5 材料车箱减重方案5 9 6 2 3 材料性能简介5 9 6 31 t 固定车箱式矿车减重设计及有限元分析6 0 6 3 1q 2 3 5 材料车箱减薄壁厚及局部加强有限元分析6 0 6 3 21 6 m n 材料车箱减薄壁厚及局部加强有限元分析6 2 6 3 3 两种材料车箱的有限元结果比较分析6 4 6 4 本章小结6 4 第7 章结论与展望6 5 致谢6 7 参考文献6 8 作者简介7 3 v l 第1 章绪论 1 1 矿车的用途及主要技术经济指标 对于地下开采的煤矿或金属矿山，矿井运输是主要生产过程之一，运输 工作使用的机械设备不仅类型多，而且数量大。从采掘工作面到井底车场， 组成运输系统的环节多，运输工作复杂，占用的劳动力多。因而安全、有效 的运输工作是煤矿生产正常进行的重要保证之一，对矿井生产的技术、经济 指标均有重大影响。 矿用车辆是数量最多的矿井运输设备。要求矿用车辆要有足够的机械强 度和寿命、合理的技术参数和良好的使用状态，以保证矿井的安全生产和经 济运行。 矿车是矿井的主要运输设备之一，从广义上指各种矿用车辆，从狭义上 指运输煤炭( 或矿石) 及矸石的车辆。 矿车的主要技术经济指标是车皮系数和容积系数。 1 车皮系数 矿车自重与载重量之比称为车皮系数，其值取决于矿车的结构。在保证 矿车使用强度的条件下，车皮系数越小，矿车自重越小，载重越大，即在同 样牵引方式下运输效率越高。 2 容积系数 矿车车箱容积与矿车外形体积( 长x 宽x 高) 之比称为容积系数，其值 与矿车的结构型式有关。容积系数越大，外形越紧凑，越利于缩小相应的配 套设备( 如罐笼及井口有关设备等) 、错车道及车场的长度。 总之，合理的矿车结构应在保证矿车使用强度和使用寿命的前提下，尽 可能减小车皮系数，增大容积系数。应通过结构优化及更换新型材料，不断 提高矿车的技术经济指标。 1 2 矿车轻型化的意义 矿车主要用来运送煤炭( 或矿石) 及矸石，在井下，这些矿车主要靠绞 车( 斜巷) 或电机车( 平巷) 牵引在轨道上运行。由于绞车及电机车牵引力 以及钩头能力的限制，所能牵引的矿车数量是很有限的，又由于其工作方式 为空车、重车周期往返运行，在矿车规格一定的前提下，矿车自身质量越大， 则无用功耗越多，提升、运输效率越低。另外，矿车自身质量越大、质心位 置越高，对其运行特性，如稳定性、碰撞特性等的影响就越大，因此，无论 从节能降耗的角度，还是安全平稳的角度，都有必要在满足矿车机械强度和 使用寿命的前提下，进一步优化结构和性能参数，降低矿车自身质量，从而 提高提升、运输效率。 另外，目前使用的钢质矿车，由于矿车车箱内表面具有一定的粗糙度以 及宏观和微观孔洞等缺陷，容易吸附物料而出现结底现象，根据文献 1 对 东北地区十几个煤矿进行的调查可知，1 t 矿车在清理后第一车粘煤量为 o 5 5 ，其中优质干煤的粘煤量约为0 5 1 ，湿煤的粘煤量约为 1 3 5 ，而含有杂质的煤的粘煤量可达5 左右，如不及时清理，由于轨 道不平有接头以及矿车之间、矿车与阻车器之间的碰撞引起的振动对物料具 有夯实作用，往返运行的矿车其结底现象将更加严重，结底量一般为矿车容 积的1 0 1 5 。根据现场调研，在冬季漫长的东北地区，矿车冻粘时粘煤 量远远超过湿粘时粘煤量，可达4 0 7 0 乜1 。其他矿山系统，如一些金属 矿及非金属矿，矿车结底量高达1 5 一3 0 ，严重情况如波兰有些矿山竞达 4 0 ，形成所谓的“大车底 ，同时由于结底而造成的车箱的腐蚀问题也很 突出口1 。而对于主要装运煤矸石或矿石的矿车，车箱的磨损也是矿车失效的 主要原因h 1 。虽然与其它矿用车辆相比，矿车结构相对简单，机构不复杂， 但由于经常承受装卸车时物料的冲砸、摩擦以及制动和推、调车时矿车之间 的碰撞，因此矿车受力较复杂，对车箱、车架、轮对、碰头、连接器等均有 特殊要求，稍有改进既可减少很多不必要的损失。 根据矿车使用要求，理想的矿车应该用强度高、抗冲击性能强哺，、刚性 大、耐磨损、耐腐蚀且防粘性好的轻质材料制造。应用与煤的粘附作用相对 较弱的高强轻质材料实现矿车的轻型化，不仅可以大大提高斜巷串车提升和 平巷电机车运输效率，降低电机车和提升设备无用功消耗，而且可以大大提 高矿车的自洁性、防腐性和使用寿命，避免东北矿区尤其是冬季矿车普遍结 底现象的出现，降低清车费用，提高车皮利用率和矿车周转率，具有良好的 综合经济效益。无论从节能降耗、增产提效、环保安全、还是经济可靠的角 度出发，轻型化都应是未来矿车的发展趋势。 2 1 3 国内外高强轻质材料研究现状、水平和在矿山的应用 矿车属于标准窄轨车辆，其主要功用是装运物料。作为提升容器之一， 矿车具有提升容器的共同属性，即在结构尺寸一定的情况下，自重越小越好。 而减轻容器自重的途径之一就是采用高强轻质材料。 高强轻质材料在矿山提升容器上的应用已有半个多世纪的历史。英国是 世界上最早使用轻型提升容器( 铝制及钢铝混合结构) 的国家。英国第一套 铝合金箕斗是1 9 4 9 年在贝克绍矿井开始使用的随1 ，1 9 5 4 年莫斯雷( m o s l e y ) 、 柯蒙( c o m o n ) 矿也采用轻型箕斗h3 。加拿大印科有限公司索德柏立地区的许 多矿山，自1 9 6 8 年开始，在立井中使用铝制提升容器哺1 。此外，美国、西德 也已普遍采用高强度铝合金材料制造提升容器喁一1 。 我国冶金矿山使用铝合金提升容器也较早州，如中条山和寿王坟铜矿 在1 9 6 5 年已开始使用硬铝合金加工的铝合金罐笼，但冶金矿山使用的提升罐 笼吨位比较小n 1 1 2 1 3 l 。 煤炭系统铝制及钢铝混合结构提升容器的研制和应用则始于上个世纪 8 0 年代初期。自1 9 8 7 年5 月开滦荆各庄矿首次使用钢铝混合结构罐笼以后 的十多年中，相继就有淮南、峰峰、鸡西等二十几个矿务局五十几个井筒( 包 括立井和斜井) 中使用了铝制及钢铝混合结构的提升容器。如：枣庄矿业集 团柴里煤矿采用铝合金轻型罐笼对南副井进行改扩建引；枣庄矿业集团留 庄煤业有限公司采用铝合金箕斗对主井提升系统进行技术改造n 钆，。淮北 矿务局朔里煤矿研制钢铝混合结构轻型箕斗，于1 9 9 1 年对主井提升系统进 行了更新改造n 。徐州矿务局坨城矿新副井采用双层单车铝合金罐笼，按4 年服务年限计算，与采用钢罐笼相比，可节约经费5 4 4 2 万元n 引。此外，徐 州矿务局张集煤矿n 引、安徽恒源煤电股份有限公司心州、萍乡矿务局青山煤 矿位、淮北矿业集团公司芦岭煤矿乜引、山东里能里彦矿业有限公司乜引、鹤 煤集团公司五矿乜4 | 、鹤岗矿业集团公司振兴煤矿乜引、淮北岱河矿和邢台矿 乜6 ，等分别在主井或副井改造中采用了铝箕斗或铝罐笼。此外，一些斜井在 改扩建中也采用铝合金制造的轻型箕斗比n 2 8 。 目前国内外提升容器轻型化途径及发展趋势：一是采用高强铝合金，如 国内使用的l y l 2 c z 、l c 4 c z 、l c l 5 ( 原1 5 7 ) 等口引。 二是采用低合金钢，如1 6 m n ，提升容器自重可减轻2 0 左右；国外如 美国采用冷却浇注技术改变合金钢中的氢的含量阳叫，进而制成的高强度低 3 合金钢提升容器，使用寿命大大提高，长达1 0 余年；联邦德国和英国也曾 用纳米沉淀技术生成的高强度合金板制造运煤设备，与q 2 3 5 钢制造的设备 相比，寿命提高5 0 ，自重减轻2 2 5 一4 0 口。 三是采用双相钢，双相钢是一种高合金不锈钢，按加热到高温或由高温 冷却到室温时有无相变和在室温时的主要金相组织进行分类，属于奥氏体一 铁素体型钢，具有高的强度，耐腐蚀性好，用此钢代替低合金钢1 6 m n ，箕 斗重量将减轻1 3 。1 9 8 8 年，周乃荣等人口纠使用高强度低合金( d p i 双相钢) 钢作为主体结构( 车箱和车架) 材料，设计了煤矿用轻型矿车并申请了实用 新型专利，该实用新型按国家标准矿车外形尺寸设计，其特征是车箱为三心 圆底，边缘板卷边，端、侧板压制沟槽形体，车箱焊接在车架上，轮轴组装 在车架下部形成整台矿车，采用新材料及改进其中部分结构、制作方法制成 轻型矿车后，自重减轻3 0 ，延长使用寿命5 0 以上，车皮系数由o 6 降到 o 4 2 ，车箱压制成形，整个车箱重心较低，运行稳定性好，而且也可用于其 它矿山。 四是采用高强复合材料。如德国1 9 9 8 年1 0 月提出的可以通过沉淀反应 生产出似结晶体的高强复合材料z r t i c u n i a l 合金口引；日本2 0 0 3 年1 月 提出的高强碳纳米纤维材料引。复合材料具有比强度高、比刚度大、可设 计性强及良好的抗疲劳损伤性能和耐腐蚀性能，且损伤后易于修补，随着制 备工艺的完善和成本的下降，应是未来提升运输容器可供选择的材料。新型 轻型提升容器通过对结构进行优化设计，不仅重量轻，而且结构更加合理。 根据英国煤炭局测算，提升容器自重减轻1 吨，提升机功率大约可降低1 0 k w - 5 0 k w 。另外钢制提升容器在井下使用5 年即报废，轻合金提升容器可 使用1 5 年，比钢制提升容器增加寿命2 倍口。目前国内外生产和使用单位 对提升容器的轻型化问题已达成共识，认为轻型提升容器具有重量轻、强度 高、载重大、安全性好，综合经济效益可观等优点，是矿山提升容器的发展 方向。目前，轻型提升容器除了作为井简延深及老矿井改造的首选方案外( 不 需更换原有提升设备，只需减轻容器自重即可提高提升能力) ，在新建矿井 中也已得到推广应用。 铝合金及铝基复合材料具有高比强、高比模量、轻质、抗氧化、抗腐蚀、 耐磨损、不老化等特点，大批量工业化生产潜力大，应用范围广，成为近年 来国内外新材料研究热点之一引。尤其是铝基复合材料，合金选择范围广， 可热处理性好，制备工艺灵活多样6 ”1 。因此，国内在交通运输业已有宁 波神马汽车股份有限公司、长春客车厂等应用铝合金来加工车体的轻型客车 生产基地。用铝材来制造矿车车箱及车架应是矿车轻型化可供选择的重要途 径。 近二十几年来，轻型高分子材料发展迅速，应用领域不断扩大。如p e t 材料，超高分子量聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯( u h m w _ p e ) 等化工 材料，具有不锈蚀、耐磨损、冲击强度高、防粘性好等特点引。目前矿山 已有多种高分子材料产品得到应用，如用超高分子量聚乙烯加工的浮选机叶 轮、电机车轴瓦、钢丝绳牵引带式输送机托绳轮衬、矿用地滚、矿井提升机 衬板，矿车轴承、矿车衬板，等等口9 4 州。对材料通过添加某种成分或助剂 进行物理改性或化学改性处理可提高强度、硬度、刚度、耐磨性、耐蚀性等， 以满足不同性能要求。因此开发出高分子材料矿车轮对组件，减轻轮对重量， 制作矿车车箱，是减轻矿车自重的重要途径之一。1 9 9 5 年，张吉太h 使用 超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 作为箱体材料设计了箱式矿车并申请了发 明专利，该发明主要适用1 5 t 、3 t 箱式矿车，矿车箱体的制作采用油加热膜 压工艺成型，u 形箱板和两块端板通过热焊粘接成一体，箱体与车轴通过托 板连接，该发明认为采用超高分子量聚乙烯制作车箱，可使车箱重量约为原 来重量的六分之一，耐磨损寿命提高5 倍以上，年损率仅为2 3 ，装载 如矿石、碱石时箱体不易变形损坏，更主要的是不粘接。 利用制复合板工艺也可将高分子材料与金属材料或其他非金属材料进 行复合而制成复合材料，即将两种或两种以上材料，按一定方式组合到一起 而形成有新特性的材料。它能集中组分的优良特性，克服其劣性，即产生复 合效应。这种材料具有可设计性好、重量轻、强度高、耐腐蚀、耐磨损等特 点，近年来其应用领域不断扩大。目前，已有越来越多的直升机零部件采用 了这种复合材料；在能源工业，用玻璃钢( f r p 、g r p ) 加工防腐托辊h 引； 钢一玻璃钢复合材料罐道自1 9 9 5 年首次在邯郸郭二庄煤矿马项副井中安装 使用以来，已在多家新建矿井中得到应用。因此，玻璃钢也是矿车车箱可供 选择的材料之一。 目前，作为提升运输容器之一的矿车，国外主要是通过提高钢丝绳钩头 破断负荷及采用大牵引力电机车来提高斜井串车提升能力和大巷电机车的 运输能力，而国内对矿车的研究，虽曾有使用高强度低合金( d p i 双相钢) 钢制造轻型矿车的专利介绍似引，以及使用超高分子量聚乙烯制造箱式矿车的 发明专利h ，但通过使用高强轻质材料来实现矿车的轻型化国内还未见推广 及应用性报道，目前矿山使用的矿车的车箱和车架等主要部件仍然采用 q 2 3 5 制造。 5 随着材料工业的发展、高科技手段的不断完善，以及高强轻质复合材料 在交通运输、航空航天、汽车制造及造船业的成功应用h3 1 ，使得矿用轨道 运输车辆的轻型化成为可能。尤其是高强轻质材料大多具有耐磨、耐蚀、表 面光洁等优点，具有良好的自洁和防腐作用。因此，用一种适合的高强轻质 材料来替代矿车结构中的部分或大部分钢质材料，在保证性能要求和加工成 本合理的前提下，有效减轻矿车自重，将成为矿车发展的趋势，也必将是未 来其他矿用车辆发展的趋势。 1 4 关于矿车的相关研究 除了前面关于高强轻型材料在矿车结构中的应用方面的研究和探索外， 长期以来更多的研究则主要集中于矿车结底问题的处理和跑车防护装置的 研究上。关于矿车结底问题的处理，国内外近二、三十年来一直致力于实现 如下两个方面的目标：一是从矿车自身结构上来提高其自洁性，国内已有专 利是设法改变矿车底部的结构，将车箱底部设计成活动底板h 们、在车箱底 部增加柔韧性衬垫n5 l 、在车箱底部设有清底板“6 1 或清粘刮板h 、以及增加 其他附件等h “4 9 0 1 ，卸煤时矿车底部各部分之间产生相对运动，这样就破 坏了底煤粘底和形成大块板结底煤的条件，从而达到清车的目的。但是，这 种方法增加了矿车自重和结构的复杂性，降低了安全性和可靠性，因此，这 种矿车并没有得到大力推广。二是研制各种清车设备，针对现有矿车结构， 利用专用清车机的机械力来清除矿车粘底物料哺，这种处理矿车结底方式 需额外增加设备投入，但清车效果比较可靠，尤其是针对钢质矿车个别清车 机还有对矿车车箱整形的功能，是目前国内外关于矿车清理的主要方式。而 关于跑车防护装置的研究，由于主要不涉及矿车自身结构，与本文没有关系。 此外，国内科技工作者还开展了关于矿车碰头的改进、牵引链条工艺方 面的改进以及轮对的密封和润滑方面的优化改进哺2 ”5 引。在科技工作者的 努力下，矿车的结构已趋于合理化，由于与本文的关系不大，在此不再赘述。 1 5 研究内容、目的和意义 某矿业集团现有1 2 个矿井，总生产能力1 3 5 0 万吨年，矸石的提升和 运输主要采用1 t 固定车箱式矿车，在提升运输系统中共有1 t 矿车8 9 9 0 辆， 6 电厂生产。据 元左右，用于 新矿车购置的费用约7 7 0 万元。按最大设计载重1 8 t 计算，1 t 固定车箱式矿 车自重约占总重的1 4 ，由于矿车自重及矿车结底而造成的无用功耗将是很 可观的，如能通过改进结构或采用高强轻质材料以减轻矿车自重，将会大大 降低无用功耗，从而提高矿车使用的经济性、安全性和可靠性，这在当前能 源紧张的形势下具有重大意义。 目前在国内，现代设计方法在矿井提升罐笼设计中已有应用引，但在 矿车结构设计或改进中的应用却少见报道，本文将应用有限元分析软件 a n s y s 对矿车进行轻型化研究，为下一步应用有限元分析方法对矿车进行 结构优化提供参考。 本文研究内容如下： 以1 t 固定车箱式矿车为研究对象。 ( 1 ) 从理论上定性分析矿车白重对运行特性的影响，从而找出轻型化的理 论依据。 ( 2 ) 通过对1 t 固定车箱式矿车结构及受力工况的分析，找出矿车轻型化 的途径，即轮轴的轻型化、车箱的轻型化、车架轻型化及碰头和碰头座的轻 型化，通过结构优化或采用高强轻质材料减轻相应部件的重量。 ( 3 ) 利用现代大型工程分析软件a n s y s 建立现有1 t 固定车箱式矿车的车 轴及车箱的三维有限元模型并进行应力分析，根据应力分布规律及变形情况 进行结构改进或材质替代，并根据结构改进或材质替代后的应力和变形分析 结果，迸一步给出矿车轻型化的合理化建议，为矿车轻型化实用设计奠定基 础。 1 6 本章小结 简要介绍了矿车的用途，主要技术经济指标以及轻型化的意义，简要介 绍了国内外高强轻质材料研究现状、水平和在矿山的应用，针对某矿业集团 使用的1 t 固定车箱式矿车的轻型化问题确定了本文的研究内容。 7 主要特征参数 2 11t 固定车箱式矿车结构概述及基本部件 固定车箱式矿车由车箱、车架、轮轴、连接器等组成晦6 1 。矿车的车箱 固定在车架上，在卸载时使用翻车机或其它专用设备进行卸载。在翻车卸载 过程中，因矿车牵引链结构的不同，可以达到连续不摘钩翻车和间歇摘钩翻 车的要求。 1 t 固定车箱式矿车如图2 - 1 所示。 图2 - 1i t 固定车箱式矿车 f i g 2 - 1o n et o ns t a t i o n a r yc o a c hm i n ec a r 1 车架；2 轴轮组；3 车箱；4 单环链；5 折叠式插销；6 同定插销；7 标牌； 8 铆钉 1 车箱 车箱是直接容纳货载的部分，车箱装载量为3 t 或3 t 以下的固定车箱式 矿车其车箱的形状为u 型。1 t 固定车箱式矿车其车底为半圆型，u 型车箱制 造简单，卸载完全，而且有利于机械化清理车底的粘附物。在容积相同的条 8 i 5 钢板制造， 其次还得考 虑矿井水对钢板的腐蚀因素，因为酸性矿井水会腐蚀车箱而使矿车过早报 废。 车箱由端板和侧板组成，端板经压力成型后与侧板直接焊接，为了增加 箱体的刚度，在车箱口内、外分别焊有加强角钢和加强钢板，车箱板上压有 加强筋。 为了避免矿车在露天储藏中集存雨水，因此在车箱底部开设有2 个排水 孔。 为了减少车箱的锈蚀，新出厂或检修后的矿车在车箱内外都涂有防锈油 漆。 1 t 固定车箱式矿车的车箱结构及尺寸参数如图2 2 所示。 图2 21 t 固定车箱式矿车车箱结构及参数 f i g 2 - 2s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so fo n et o ns t a t i o n a r yc o a c hm i n ec a r sc a r r i g e 1 搭板；2 包边铁；3 角钢；4 角钢；5 箱体；6 端板 2 车架 车架用来安装车箱、轮对、缓冲器及连接器。矿车架必须坚固紧凑，车 架由拉扳、两根纵梁和兼作横梁的碰头座构成。车架纵梁采用腹板较厚的异 型槽钢，车架是矿车的主要承载部件，在运行中除承受车箱重力和牵引力， 还要承受很大的冲击、振动等附加载荷。 车架的两端有缓冲器( 俗称碰头) ，缓冲器由缓冲座和缓冲弹簧组成， 是直接承受牵引和冲击的部件。在带有容链凹槽的铸钢刚性缓冲座中装有橡 胶弹簧，利用橡胶弹簧来吸收冲击能量。车架纵梁与缓冲座之间采用铆接。 轴卡是车架和轮轴的中间联结零件。采用插销式轴卡，这种轴卡结构简 单，拆装方便，运行可靠，对线路适应性大。轴卡不设缓冲装置。轮对在轴 卡内安装后，在轴向和径向都有一定的间隙，允许轮对在运行中可作轴向窜 动，以减少线路不直对矿车的影响。为了防止轮对在轴卡内转动而损坏轴卡， 在轮轴上加焊挡环以防止轮轴转动。 1 t 固定车箱式矿车的车架结构及尺寸如图2 3 所示。 一一_ 妥， 国 图2 31 t 固定车箱式矿车车架结构及主要参数 f i g 2 - 3s t r u c t u r ea n dm a i np a r a m e t e r so fo n et o ns t a t i o n a r yc o a c hm i n ec a r sf l a m e 1 碰头；2 竖销；3 一垫圈；4 开口销；5 碰头座；6 铆钉；7 拉板；8 一槽钢；9 一轴卡； 1 0 销轴；1 1 铆钉；1 2 铆钉；1 3 铆钉 3 轮对 轮对是矿车的走行部件，1 t 固定车箱式矿车采用闭式轮对。闭式轮对的 车轮没有端盖，不存在丢失端盖和从端盖进水的问题，车轮内孔不设凸台， 加工比较简单，内孔车制时一次即能完成，同心度容易得到保证。缺点是在 装卸滚动轴承时，两套轴承都通过同一个孔，增加了磨损，容易造成内孔加 大而失效。轮对的轴承使用双列向心球轴承，它与单列向心球轴承比较，在 工作能力系数及容许静负载上都比较大，寿命也比较长。 1 t 固定车箱式矿车的轮对结构及参数如图2 - 4 所示。 图2 - 41 t 固定车箱式矿车轮对结构及参数 f i g 2 - 4s t m c t u r ea n dp a r a m e t e r so fo n e t o ns t a t i o n a r yc o a c hm i n ec a r sa x l e s 1 车轮；2 螺栓；3 螺母：4 垫圈；5 间隔套；6 开口销；7 槽型螺母；8 六角螺塞； 9 内间隔套；1 0 单列向心球轴承；1 1 o 型密封圈；1 2 内盖；1 3 挡环；1 4 油封； 1 5 车轴；1 6 车轮外三角盖 4 连接器 本研究1 t 固定车箱式矿车采用牵引链型连接器，由单环链、插销和插 销座组成。根据文献晦7 1 ，1 t 矿车主要适用于中型矿井及年产量为6 0 万吨的 斜井，用于斜巷串车运输及平巷电机车运输，连接器按5 8 8 0 0 n 设计。 2 21t 固定车箱式矿车的主要特征参数 2 2 1 矿车的主要参数 代表一个矿车的主要参数是它的车箱容积，以m 3 为单位来表示。因为 矿车所运输的煤( 或矿石) 、矸石及充填料等的松散体重差别较大，故不以 矿车载重量作为主要参数。煤矸石松散体重在1 2t m 3 1 8t m 3 之间，矿车 最大载重量为松散体重与矿车有效容积及装满系数之积，并以此作为矿车强 度设计的依据u 0 。 同一种型式及容积相同而轨距不同的矿车，由于其部件结构、绝大部分 尺寸相同，仅轮轴部分尺寸因轨距不同而有差异，因此轨距并非矿车的主要 参数m 1 。 2 2 2 矿车的主要尺寸 代表一个矿车的主要尺寸是：矿车的外形尺寸( 即长度、宽度、高度) 、 轨距及轴距n 0 1 。 矿车的长度l 一般为矿车两端缓冲器的碰头间长度；矿车宽度曰为车箱 最突出部分的宽度；矿车高度日是指矿车在轨项以上的高度；矿车轨距s 。是 指其走行的两轨道轨顶内侧工作边缘间的距离；矿车轴距l 。，对于两轴矿 车是指两组轮轴中心线间的水平距离n 0 。 此外还有车轮直径( 沿滚动踏面) 及滚动轴承型号、连接器型式及牵引 高氟( 连接器中心距轨项的高度) 、缓冲器型式、车箱高度( 或车箱的净尺 寸) 等1 0 1 。 2 2 31 t 固定车箱式矿车的主要特征参数及尺寸 本研究1 t 固定车箱式矿车的型号为m g c l 1 6 型，其主要特征参数为： 容积1 1m 3 ，质量为6 3 0 k g ，名义装载量为1 0 0 0 k g ，最大装载量历为 1 8 0 0 k g ，长为2 0 m ，宽为0 8 8 m ，高为1 1 5 m ，轨距s 。为0 6 0 m ，轴距l 。为 0 5 5 m ，轮径d ，为0 3 0 m ，牵引高啊为0 3 2 m ，连接器采用单环链式，许用 牵引力为5 8 8 0 0 n ；采用橡胶弹簧缓冲器，弹簧刚性系数c o 1 1 9 0 0 0 0 n m ； 车架与轮轴通过轴卡刚性连接。 2 3 本章小结 主要介绍了1 t 固定车箱式矿车的主要部件的结构及主要特征参数，为 后面的轻型化模