仿生学在露天矿车车斗上的应用

仿生学在露天矿车车斗上的应用

0仿生学及等应力框架设计理论体系上的车斗设计随着采煤和露天开采深度的增加，为了提高运输效率，降低运输成本，越来越多的矿山引入了大型非道路自洗车（以下简称自洗车）。自卸车吨位加大则车斗的装载量增加,另外,由于矿山的工作环境恶劣、部分区域温差大、海拔高度影响,以及装载物料种类及松散比不同等,致使车斗一般运行10~16个月就完全报废,修复和更换破坏的车斗的费用高昂,因此研制自重轻、强度高、寿命长的自卸车车斗显得十分重要。作者所在团队与澳大利亚技术人员合作,针对目前矿上常用车斗存在的问题,提出基于仿生学设计理念,采用等应力框架设计理论进行车斗底架结构设计,提高车斗强度和刚度并实现轻量化设计;底板采用流线型上翘尾部和“非光滑表面处理”解决车斗滞料和磨损的问题;车斗前板拱形设计提高矿车的卸载效率。1车斗滞料问题(1)车斗自重较大,矿车有效载荷降低、矿车的质量利用系数降低;(2)在某些工作环境温差大、装载物料具有一定黏性的情况下,车斗易出现滞料现象,降低了矿车装载效率;(3)矿车运行路况复杂,物料容易从尾部散落,造成运输效率低;(4)卸料时车斗末端离地面太近,物料卸载后需要推土机清理物料堆场;(5)装载机装载高度高,车斗底板遭受剧烈冲击;(6)卸载时,物料与车斗底板摩擦导致车斗磨损严重。2新车辆性能理论2.1锯齿形的草叶仿生学就是通过研究自然物质和生物系统的结构、功能、材料和工作原理等,为工程技术提供新的设计思想,并将这些原理应用于工程技术之中。例如鲁班从锯齿形的草叶中“悟”到了锯的原理;从鱼儿能在水中游来游去,设计出模仿鱼类的船,以木桨仿鳍进行水上作业等。簸箕是用竹篾编成的器具,三面有边沿,一面敞口,并且楔形发散,便于装卸粮食。本设计的新型车斗形态结构就是模仿这种用来簸扬粮食及把粮食装袋的“簸箕”。传统车斗前后宽度相等,长期卸载后造成车斗尾部侧板和底板磨损严重。改进后的车斗如图1所示,仿生簸箕楔形发散结构,使得侧板所受的磨损力大大降低,提高了车斗的使用寿命。2.2车斗底部宽度车斗发散角的确定主要取决于3方面的因素:车斗头部宽度x受车型及车头尺寸的影响;车斗尾部宽度y受自卸车底盘大架及路面宽度的影响;车斗高度z受路况中山洞高度、装载机装载高度及矿用自卸车质心位置的影响。(2)受车负载最大限制车斗楔形发散后,车斗载重量增加,但不能超过其最大载重量,否则出现超载现象,自卸车的控制系统达不到要求。(3)土压力系数推导侧板的磨损与卸载过程中侧板所受的摩擦力有直接的影响,而摩擦力主要是由侧板所受的土压力产生的。取车厢侧板的滑动楔体,采用薄层单元法,推导出侧板所受的土压力式中k1、k2、k3———土压力系数;p———顶面铅垂力,kPa;c———装载物料内聚力,kPa;cn———物料与车斗侧板粘附力,kPa。2.3流质的影响流线型是物体的一种外部形状,通常表现为平滑而规则的表面,没有大的起伏和尖锐的棱角。流体在流线型物体表面主要表现为层流,没有或很少有湍流,这保证了物体受到较小的阻力。车斗中的物料颗粒流动类似于流体中的层流,流线型的设计使得物料运动的阻力大大降低,解决了车斗底板滞料的问题,同时流线型的设计,加快了车斗物料的卸载,提高了车斗的卸载效率,延长了车斗的寿命。2.4d板板、鸡蛋的设计由于物料颗粒的不确定性、装载高度不同以及各种恶劣的工况,决定了车斗前板承受较大的动载荷,容易疲劳破坏。在仿生学里,奇妙的鸡蛋蛋壳结构为人们展示了以最少的材料造出最大的空间,并承受相当于它自重几百倍的力而不被压碎,体现了大自然最自然、最合理、最经济、最有效的杰作。借鉴鸡蛋的拱形薄壁结构,将前板设计成拱形外凸结构。车斗前板的拱形面卧坐在主梁上,增加了主梁与前板的接触面积,使得冲击力直接传到主梁上,而不是全部由前板来承受,减缓了前板所受物料的冲击力。这种结构,不仅使车斗能承受很大的载荷及冲击力,也增加了车斗的有效载荷,同时流线型设计有助于物料的卸载,提高了卸载效率。3车辆地面的模仿结构3.1设计车斗的结构框架模型生命体是世上最完美的结构系统,如生活在海洋中的哺乳动物—鲸鱼。鲸鱼胸腔外形呈现完美的流线拱形,符合它在水中游动时受阻最小的动力学原理,如此简单的结构能支撑鲸鱼巨大的体重以及相当于自重几十倍的压力;并且鲸鱼的骨骼具有海绵状组织,体积内有较多的脂肪,可以增大身体的体积,增大浮力,在工程上合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。把鲸鱼的骨骼系统结构框架机理应用于自卸车车斗的主体框架上,如图2所示,使得车斗强度高、刚度大、稳定性好、承受外界载荷能力增强;使得车斗容积大、载重量大,以最少的材料构造出最大的空间;实现了结构、功能、材料的优化配置,有效提高工程效率,降低工程结构成本。3.2车斗织构设计的改进目前矿上常用车斗结构设计存在如下问题:(1)车斗结构都是由底板、前板、侧板和篷板焊接而成。各部分都是独立的部件,并无框架之说。(2)车斗的加强肋也只是孤立地焊接在车斗的箱壁上,起到提高车斗抗弯强度的作用,但是抗扭强度不足,车斗大部分静载荷还是由底板来承担,不能直接传到车架上。(3)车斗肋板宽度与厚度都一样,都是按照最下面受到的载荷来校核强度和刚度的,不能合理地利用材料。针对以上不足,提出如下改进:(1)车斗主体仿生鲸鱼的拱形肋骨架,如图3所示,提出车斗框架结构设计,如图4所示。整个车斗的框架好比鲸鱼的骨骼系统,支撑着整个车的载重。车斗框架主要由顶板、前壁、加强肋、侧板和主梁组成。框架结构将直接承载及传递载荷到底盘,而车斗底板的钢板仅承担局部静载荷,这样车斗底板可采用薄板,从而减轻了车斗的重量,实现了车斗的轻量化设计。(2)车斗侧板框架纵向槽钢根据侧板所受土压力的大小,采用变截面结构设计。由于车斗侧板受到类似于水压的力,所以侧板从下到上土压力逐渐减小。根据等应力理论,则侧板框架纵向槽钢由下向上截面积逐渐减小,这样大大减轻了车斗自重,有效装载载荷增大,同时减少了自卸车的燃油消耗,延长了其使用寿命。(3)车斗框架截面形式采用U形钢,提高车斗的抗弯强度。4基于汽车零部件的摩擦性能设计4.1车斗底板磨损重型自卸车车斗大多用于露天矿山装载矿石或土方,并且装载机装载时下落高度大,使车斗底板承受强烈的物料碎石冲击和磨粒磨损。为了提高车斗寿命,需增强车斗底板的磨损性能。生活在海滩环境中的贝类,常年受到海水和沙石的冲蚀,贝壳却完好无损。通过研究发现作为生物陶瓷材料的贝壳,其表面具有褶皱型结构,在磨料磨损中贝壳表面的褶皱结构首先受到泥沙的冲击,当表面褶皱结构被磨去之后,才能对贝壳中的纯材料进行磨损。根据贝壳抗磨料磨损的机理,提出对底板采取“非光滑表面处理”措施,提高底板的抗磨性能。4.2车斗底板的磨损力(1)车斗底板添加“耐磨肋条”,实现车斗底板非光滑表面处理。(2)基于“rock-box-effect”岩石箱效应原理,对车斗底板采取焊接岩石框的几何非光滑表面处理,提高底板的耐磨性。(3)车斗尾部采用流线型上翘结构。这样在车斗卸载物料时,使得上部物料先卸载,底部物料后卸载。而底部物料重量很小,所以底部物料卸载时将产生很小的底板磨损力。上翘底板设计降低了底板的磨损,使得车斗底板可以使用较薄的钢板。较薄钢板的应用使得车斗的自重降低,提高了车斗的装载效率,实现了车斗的轻量化设计,所以此种结构设计相对于前2种方法经济性价比较高。5解决了车斗滞料问题,提高了车斗的装卸效率,延长了车