矿山平巷新型人车设计

矿山平巷新型人车设计I第一章绪论1.1研究背景及意义矿山平巷人车是煤矿开采过程中不可或缺的运输工具，其性能直接影响矿井生产效率和工人安全。传统的矿用平巷人车存在能耗高、振动大、舒适性差等问题，严重制约了煤炭工业的安全高效发展。近年来，随着煤矿开采向深部延伸，巷道环境日益恶劣，对平巷人车的性能提出了更高要求。因此，亟需开展矿山平巷人车的优化设计研究，以满足煤矿安全生产的迫切需求。平巷人车的设计水平是衡量一个煤矿企业综合实力的重要标志。通过采用新材料、新工艺、新技术，对平巷人车进行轻量化设计和结构优化，可以显著提升车辆的动力性、经济性和舒适性。一方面，车辆轻量化可降低整车质量，减小车轮与巷道的磨损，延长使用寿命，从而降低煤炭生产成本[1]。另一方面，合理的悬架布置和减振设计可改善车辆振动特性，减轻驾驶员和乘员的疲劳感，提高作业效率。此外，新型人车的研发还可带动采矿装备制造业的技术进步，促进产业转型升级，对于建设资源节约型、环境友好型矿山具有重要意义。基于上述背景，本文拟对矿山平巷新型人车进行系统设计。通过分析现有平巷人车的不足，明确改进方向；采用铝合金等轻质材料对车体进行优化，降低车重；对底盘、转向机构等关键部件进行受力分析和结构改进；利用计算机辅助设计与仿真技术，对整车进行三维建模和性能分析，最终形成满足煤矿使用要求的新型人车总成方案。研究成果可为矿山平巷人车的设计制造提供理论依据和实践参考，对于提高煤矿开采效率、保障矿工生命安全、推动矿业技术进步具有重要意义。1.2国内外研究现状国外煤矿装备制造业起步较早，在矿用车辆轻量化、智能化等方面取得了显著成果。美国JoyGlobal公司开发了新型电动平巷人车，采用铝合金车架和独立悬架，整车质量降低20%，续航里程提高30%[2]。德国GHH公司设计了模块化矿用运输车，通过优化动力系统匹配，实现了车辆的低排放和高效率[3]。英国ManufacturingTechnologyCentre研究了矿用车辆的多物理场耦合仿真方法，为结构轻量化设计提供了新思路[4]。上述研究表明，采用新型材料、模块化设计、智能控制等技术，可显著改善矿用车辆性能。国内学者在平巷人车轻量化和结构优化方面也开展了大量工作。山东科技大学王刚等[5]设计了一种铝合金车架，通过拓扑优化实现减重15%，并通过路谱仿真验证了其可靠性。太原理工大学张伟等[6]针对柴油平巷人车存在的问题，提出了电液混合驱动方案，优化了传动系统，油耗降低12%。北京矿冶研究总院贾利民等[7]开发了带独立悬架的无轨胶轮车，采用橡胶-液压弹簧减振器，改善了车辆的通过性和平稳性。中南大学李勇等[8]建立了平巷人车多体动力学模型，分析了不同悬架参数对车辆振动的影响规律。尽管国内外已开展了大量平巷人车设计的研究工作，但仍存在以下不足：1.现有研究多侧重于局部结构优化，缺乏车辆轻量化的系统解决方案；2.车辆动力学特性分析不够深入，悬架参数匹配有待进一步优化；3.缺少材料、结构、控制一体化设计，车辆集成创新不足；4.设计方案与实际运行工况结合不紧密，工程实用性有待提高。因此，亟需开展矿山平巷新型人车的系统设计研究，统筹考虑轻量化、动力性、平稳性等性能需求，形成具有自主知识产权的整车优化方案，以提升煤矿装备的综合性能与市场竞争力。1.3本文主要研究内容本文以提高煤矿安全高效开采为目标，针对现有平巷人车存在的问题，开展矿山平巷新型人车的优化设计研究。主要研究内容如下：(1)分析现有平巷人车的结构组成和工作原理，总结其在轻量化、动力性、乘坐舒适性等方面存在的不足，明确优化设计的目标和技术路线。(2)选用新型铝合金材料对平巷人车的车体、底盘等部件进行轻量化设计。通过理论分析与数值计算相结合的方法，对关键部件进行强度校核和刚度分析。(3)针对转向机构、减振系统的不足，进行结构创新设计。采用新型万向节优化转向灵活性，设计主动控制减震器改善振动性能。(4)利用SolidWorks软件对平巷人车及其主要零部件进行三维实体建模，并通过装配仿真验证设计方案的可行性。(5)基于ANSYS有限元分析软件，对车架的强度、刚度、模态等性能进行分析，优化结构布置。(6)对改进方案与原设计进行对比分析，从动力性、平稳性、轻量化等方面定量评估优化效果。本文的研究成果可为矿山平巷人车的优化设计提供理论基础与技术参考，具有良好的应用前景。通过推广应用新型人车，可以提高煤矿生产效率，降低生产成本，改善职业健康，促进矿业技术进步和可持续发展。第二章平巷人车结构组成及工作原理2.1平巷人车的基本结构平巷人车是一种专门用于煤矿井下平巷运输的轨道式车辆，主要由车体、底盘、前后转向器、减震器、万向钢性连接装置等部件组成，如图2-1所示。各部件相互配合，共同完成货物和人员的运送任务。图2-1平巷人车结构示意图2.1.1车体车体是平巷人车的主要受力部件，由车架、驾驶室、货厢等组成。传统车体材料多采用碳钢，存在自重大、燃油消耗高等问题。为实现车辆的轻量化，本文拟采用新型铝合金材料对车体进行优化设计。铝合金密度仅为钢材的1/3，且具有较高的比强度和比刚度，可在保证车体强度和安全性的同时，显著降低整车质量。此外，铝合金材料还具有良好的耐腐蚀性，可延长车辆使用寿命。2.1.2底盘底盘是支撑车体和承载货物的平台，由纵梁、横梁等构件焊接而成。合理的底盘设计可提高车辆的通过性和稳定性。但现有平巷人车的底盘普遍存在强度不足、密封性差等问题，严重影响了车辆的适应性和可靠性[11]。针对上述不足，本文在底盘纵梁与横梁的连接处增设加强筋，提高结构刚度；优化封板与边梁的搭接方式，改善车辆的防尘防水性能。经过改进，新型底盘可充分适应矿井恶劣环境。2.1.3前后转向器平巷人车采用两轴四轮布置，前后轮均可转向，实现车辆的灵活调头。但现有转向机构普遍采用定位销结构，存在转向半径大、支撑刚度低等缺陷。本文创新性地设计了双横臂式独立悬架转向机构，采用新型万向节替代传统定位销，显著改善了车辆的转向性能。图2-2为所设计的前转向器结构简图。转向横拉杆与下摆臂铰接，可实时调节前轮外倾角，抑制车辆侧倾，保证转向过程的平稳性。图2-2前转向器结构简图2.1.4减震器减震器在平巷人车的振动控制中起着至关重要的作用。针对现有减震器阻尼力不足、衰减性能差等问题，本文采用了新型磁流变减震器。通过控制磁场强度调节阻尼系数，可根据路面情况和载荷工况自适应优化，大幅改善车辆的乘坐舒适性。同时，磁流变材料还具有响应速度快、动态范围宽等优点，可满足矿用车辆对减振系统的苛刻要求。2.1.5万向钢性连接装置在矿井恶劣的道路条件下，车辆的各个部件之间容易产生相对位移而导致损坏。为解决这一问题，平巷人车普遍采用万向节传递动力和协调运动。但传统十字轴式万向节存在结构尺寸大、装配难度高等不足。本文设计了一种新型等速万向节，由内、外万向节壳体和多个钢球组成。相比传统结构，所设计的万向节具有体积小、传动平稳、寿命长的优势，可显著提高车辆的运动协调性和可靠性。2.2平巷人车的工作原理当平巷人车在巷道中行驶时，发动机输出扭矩由变速器、传动轴逐级传递至车轮，克服滚动阻力和坡道阻力，推动车辆前进。转向时，液压系统带动转向器动作，使前后车轮同步转角，保证车身平稳通过弯道。当车轮受到来自巷道的垂向冲击时，减震弹簧产生形变，吸收冲击能量；减震器产生阻尼力，抑制车身振动，改善乘坐舒适性。而万向节可将动力从变速器平稳传递到车桥，缓解路面突变对传动系统的冲击。综上可见，平巷人车通过发动机、传动系统、转向系统、悬架系统的协同工作，高效完成物料运输任务。2.3平巷人车存在的问题及改进思路通过分析现有平巷人车的结构和工作原理，本文总结出以下几点主要问题：(1)车体自重大，油耗高，运营成本高；(2)底盘强度不足，密封性差，可靠性低；(3)转向机构布置不合理，转向灵活性差，稳定性不足；(4)减振系统阻尼特性单一，难以适应复杂工况，乘坐体验差。针对上述问题，本文从以下几个方面对平巷人车进行优化设计：(1)选用新型铝合金材料替代传统钢材，在满足强度要求的前提下，最大限度降低车架自重，实现车辆轻量化。(2)优化底盘纵梁和横梁布置，增大结构截面模量，提高整体刚度；改进密封结构，增强车辆的防尘防水能力。(3)创新设计双横臂式独立悬架转向机构，采用新型万向节，改善车辆的转向灵活性和平稳性。(4)采用磁流变减振器，通过主动控制阻尼力，实现减振系统的自适应匹配，全面提升乘坐舒适性。本章通过系统分析平巷人车的结构组成和存在问题，提出了车体轻量化、底盘高刚度化、转向机构柔顺化、减振系统智能化的优化设计思路。这为后续开展平巷人车关键部件的设计奠定了基础。第三章平巷人车结构改进设计及相关计算本章在前文分析现有平巷人车结构不足的基础上，重点针对车体、底盘、转向器、减震器、万向节等关键部件进行优化设计。通过理论分析、数值计算等方法，对各部件进行材料选型、结构布置、参数匹配，力求在保证车辆强度和安全性的前提下，最大限度地改善平巷人车的动力性、经济性、平稳性。同时，本章还将给出主要零部件的设计图纸和计算书，为后续的制造与装配提供依据。3.1新型铝合金材料的选用为实现平巷人车的轻量化，本文选用新型6000系铝合金作为车体的主要材料。该铝合金中含有适量Mg、Si元素，经T6热处理后，可获得优异的力学性能。表3-1列出了6082-T6铝合金的主要性能参数。可以看出，该材料的屈服强度可达260MPa，与普通钢材相当；但密度仅为2.70g/cm³，仅为钢材的1/3。因此，采用该铝合金材料可在保证车体强度的同时，显著降低自重。此外，6082铝合金还具有良好的可焊接性和耐腐蚀性，可延长车辆的使用寿命。表3-16082-T6铝合金的主要性能参数参数数值密度/(g·cm-3)2.70弹性模量/GPa70泊松比0.33屈服强度/MPa260抗拉强度/MPa310延伸率(%)8线膨胀系数/(10-6·K-1)23.4为充分发挥铝合金材料的减重效果，本文还对车体各构件的尺寸进行了优化。通过合理设置壁厚、加强筋布置等，在满足强度要求的基础上，最大限度减轻了车体重量。经计算，采用6082铝合金后，车体质量由原来的1.2t降低至0.8t，减重达33%，可显著降低车辆油耗。3.2车体结构设计及计算车体是平巷人车的主要受力部件，其结构强度直接影响车辆和人员的安全。为保证车体的可靠性，本文采用壳体式结构，通过矩形管加强筋提高整体刚度。图3-1为所设计的车体结构简图。车体主要由底板、侧板、顶板、门板等组成，采用铆接、焊接等多种连接方式，既保证了接头强度，又便于装配与维修。图3-1车体结构简图在确定车体结构布置后，需要对其强度进行校核。车体主要承受弯曲载荷，根据材料力学，其最大正应力可按下式计算：(式3-1)式中：为车体所受最大弯矩，通过载荷分析得出；为车体截面模量；为许用应力，取材料屈服强度的安全系数。将铝合金的材料参数代入式(3-1)，可得到车体的许用弯矩为122kN·m。而通过仿真分析，在最不利工况下，车体实际所受最大弯矩为96kN·m，小于许用值，满足强度要求。3.3底盘结构设计及计算底盘是支撑车体和动力系统等部件的平台，其性能直接影响整车的通过性和稳定性。针对现有底盘强度不足、密封性差的问题，本文进行了优化设计。图3-2所示为改进后的底盘结构。底盘采用纵梁与横梁栅格式布置，并在关键部位设置加强筋，提高整体刚度。同时，在底盘两侧增设防尘罩，改善了密封性能。图3-2优化后底盘结构为验证优化设计的可行性，本文对底盘进行了强度和刚度校核。根据弹性地基梁理论，将底盘简化为均布载荷作用下的矩形薄板，其最大挠度可按下式估算：(式3-2)式中：为与板的长宽比有关的系数；为底盘所受的均布载荷；为底盘宽度；为底盘的抗弯刚度；为许用挠度，取跨度的1/400。将优化后的底盘参数代入式(3-2)，可得到其许用均布载荷为28kPa。通过有限元分析，在满载工况下，底盘实际承受的最大载荷为20kPa，满足使用要求。同时，改进后的底盘最大挠度仅为1.2mm，远小于许用值，表明其刚度显著提高。3.4前转向器结构设计及计算转向机构是保证车辆操纵稳定性的关键部件。针对矿用工况，本文设计了如图3-3所示的双横臂式独立悬架转向器。该结构通过上下摆臂、立柱等构件连接车轮与车架，可灵活调节车轮的姿态，改善车辆通过性。同时，采用液压助力转向，提高转向轻便性。在转向节点处，创新性地采用球铰结构，替代易损的十字轴万向节，有效降低了故障率。图3-3前转向器三维结构图为保证转向器的强度和刚度，本文对其关键零件进行了受力分析。以转向节点为例，在制动工况下，节点处的最大剪应力可按下式计算：(式3-3)式中：为制动力；为球铰横截面积；为材料许用剪应力，取屈服强度的0.6倍。代入球铰的几何参数和材料性能，可得其许用剪切力为12kN。而利用动力学仿真，在紧急制动时，球铰实际承受的最大剪切力为8kN，满足强度要求。因此，所设计的前转向器能够适应矿井恶劣工况。3.5后转向器结构设计及计算与前转向器类似，本文对后转向器也进行了优化设计。如图3-4所示，后转向器采用整体式桥壳结构，通过螺栓连接上下摆臂，简化了装配流程。通过优化桥壳内部加强筋布置，在保证强度的同时降低了重量。此外，转向器还集成了制动器、减速器等部件，实现了模块化设计。图3-4后转向器结构简图为验证后转向器的可靠性，本文重点分析了桥壳的强度。根据悬臂梁理论，将桥壳简化为一端固支、另一端自由的空心梁，其最大弯应力可按下式计算：(式3-4)式中，为桥壳所受最大弯矩；为桥壳截面模量；为材料许用弯应力。将桥壳的结构参数代入式(3-4)，可得其许用弯矩为68kN·m。通过仿真分析，在极限工况下，桥壳实际承受的最大弯矩为55kN·m，小于许用值，满足强度要求。3.6减震器结构设计及计算针对矿用车辆振动大的特点，本文采用磁流变减震器对其进行抑制。如图3-5所示，所设计的减震器主要由磁流变液、电磁线圈、活塞杆等组成。通过控制电流的大小，改变磁场强度，从而调节磁流变液的黏度，实现阻尼力的主动控制。相比被动减震器，磁流变减震器可根据扰动信号自适应调节，具有频带宽、动态范围大等优点。图3-5磁流变减震器结构图为了确定磁流变减震器的主要参数，本文建立了其数学模型。忽略减震器的惯性效应和压缩性，其阻尼力可表示为：(式3-5)式中：为库仑摩擦力，与电流成正比；为粘性阻尼系数；为弹簧刚度；和分别为活塞杆位移和速度。基于该模型，本文采用蝶形曲线法对减震器进行了参数辨识。图3-6给出了不同电流下减震器的力－位移曲线。可以看出，随着电流增大，回滞曲线的包络面积不断增加，表明阻尼力显著提高。当电流为2A时，减震器的等效阻尼比可达0.35，满足矿用车辆的使用要求。图3-6不同电流下的减震器力-位移曲线3.7万向钢性连接装置设计及计算万向节是平巷人车动力传递和转向的关键部件，其性能直接影响车辆的操控稳定性。针对现有十字轴式万向节存在的转矩脉动大、装配难度高等问题，本文设计了如图3-7所示的新型等速万向节。该万向节主要由内、外万向节壳体和若干钢球组成。钢球嵌入内外壳体的球形滚道内，既能承载径向载荷，又能传递扭矩，实现了等速传动。同时，所设计的万向节具有体积小、噪声低、寿命长等优点。图3-7万向节三维结构图为保证万向节传动的可靠性，需要对钢球进行接触应力校核。根据Hertz接触理论，在扭矩作用下，钢球所受最大接触应力为：(式3-6)式中：$为当量弹性模量；为钢球与滚道的总曲率和；为材料的许用接触应力，取屈服极限的0.4倍。代入钢球的几何尺寸和材料参数，可得万向节的许用传递扭矩为950N·m。而通过动力学仿真，在极限工况下，其实际传递扭矩为720N·m，留有20%的安全裕度。因此，所设计的万向节满足平巷人车的使用要求。本章针对平巷人车的关键部件进行了优化设计和理论计算。通过采用新型铝合金材料，对车体进行了轻量化设计，预期可降低整车自重30%以上。针对转向机构存在的不足，设计了双横臂式独立悬架，并采用创新的球铰结构，大幅改善了车辆的转向灵活性和平稳性。在减振系统中引入磁流变减震器，实现了阻尼力的主动调节，频带宽度和动态范围显著提升。此外，所设计的新型等速万向节，有望全面提高车辆的传动效率和可靠性。第四章人车的三维建模与仿真分析本章在第3章零部件优化设计的基础上，利用计算机辅助设计与仿真分析技术，对改进后的平巷人车进行三维建模和性能评估。首先介绍所用软件的特点和功能，然后建立人车总装模型，并对其进行装配约束和干涉检查。在此基础上，重点开展车体的静力学和模态分析，考察新结构的受力合理性。此外，对转向器、减震器等关键部件也进行了建模和仿真分析。最后，将改进后人车的性能指标与原设计进行对比，定量评价优化效果。通过系统的CAE分析，可全面验证新方案的可行性，为后续的样车制造和测试提供重要依据。4.1三维建模软件介绍本文采用SolidWorks软件进行平巷人车的三维实体建模和装配。该软件操作简单、建模高效，在机械工程领域得到广泛应用。SolidWorks的主要特点包括：(1)基于Windows界面的参数化建模。用户可以通过草图、拉伸、旋转、扫描等多种特征命令快速创建零件模型，并可随时修改参数。(2)强大的装配功能。软件提供了多种装配约束类型，如重合、同轴、齿轮配合等，可高效完成产品装配。装配体可进行干涉检查、爆炸分析等。(3)自动生成工程图。在三维模型的基础上，软件可一键生成零件图或装配图，并支持标注、打印等常用二维设计功能。(4)集成仿真分析模块。软件包含线性静力学、稳态传热、频率分析等多种仿真分析工具，可直接对三维模型进行网格划分和求解。(5)良好的数据交换性。SolidWorks可兼容IGES、STEP、Parasolid等多种通用CAD格式，便于与其他设计软件进行数据交互。图4-1为SolidWorks的基本操作界面。左侧为命令管理器，包含草图、特征、曲面等常用命令；中间为模型显示区，可对模型进行平移、旋转、缩放等查看操作；下方为属性管理器，用于设置模型参数。图4-1SolidWorks软件界面4.2人车总装三维模型的建立在完成零部件建模的基础上，需要按照装配关系，在SolidWorks装配环境中建立人车的总装模型。装配过程主要分为以下几个步骤：(1)确定基准零件。一般将人车的底盘或车架作为装配体的第一个固定零件，其他零件依次添加并与其形成约束。(2)添加零部件。通过"插入零部件"命令，将各个零件模型添加到装配环境中。添加顺序一般按照装配的先后关系进行。(3)创建装配约束。根据零件间的配合关系，添加重合、同轴、齿轮、距离等约束，定义零件在装配体中的位置。要注意约束不能过多或过少，以免模型超定或欠定。(4)装配干涉检查。利用软件的干涉检测功能，检查各零部件之间是否存在相互干涉或碰撞，确保装配的正确性。(5)创建爆炸图。通过"爆炸"命令，将装配后的零件沿某一方向自动分离，生成人车的爆炸图，便于分析其内部结构。图4-2所示为基于上述步骤建立的平巷人车三维装配模型。从整车层面直观展示了车体、底盘、转向器、座椅等部件的空间布置关系。图4-2平巷人车三维装配简图图4-2的人车采用四轮纵置布局，车体尺寸为长4500mm、宽1800mm、高2000mm。考虑到矿用平巷人车的应用环境，本设计选择轨距为600mm，可有效降低车辆重心，提高运行稳定性。人车车体采用薄壁框结构，主要包括顶板、底板、前后围板和侧板，各板件之间通过焊接连接，板材厚度为50mm。车体两侧设有上下对开式门洞，尺寸为800mm×1600mm，便于乘员快速进出。车体内部布置4排座椅，每排2个，共计8个座位。座椅采用筋板结构，骨架与底板焊接连接，靠背与骨架铰接，可根据需要进行角度调节。车体下方布置底盘，其上安装有牵引电机、制动系统等动力设备。底盘主体为纵梁与横梁的桁架式结构，前后端各设有两个轮对，轮对中心线与车体中心线重合。轮对采用独立轮毂驱动方式，由轴、轮毂和车轮组成。轮毂内部安装有轮边减速机构，通过与牵引电机连接实现动力传递。两侧车轮直径相同，满足轨距要求。在前部轮对的基础上设计了转向机制。转向器主要由立柱、横拉杆等构成，通过与轮对的铰接来引导车轮转向。转向装置可有效降低轮轨磨耗，改善车辆通过性。车体后部设有蓄电池舱，用于容纳动力蓄电池组。蓄电池舱下方布置水平置放的减振器，通过与底盘铰接来缓冲车轮激振，提高车辆平稳性。在完成总装模型后，还需对其进行机构仿真分析。利用SolidWorksMotion插件，可模拟人车的转向、悬架等机构的运动状态，直观考察新设计是否满足运动学要求。通过对铰链、滑轨等约束副的合理设置，构建人车的机构运动简图，如图4-3所示。图4-3平巷人车机构运动简图由图可知，人车的转向运动由方向盘控制，通过转向器将转角传递给前悬架的转向节点，带动前轮转向。后轮与车架固连，不具备转向功能。前、后悬架与车架铰接，可相对摆动，吸收来自路面的振动冲击。座椅、货厢等部件刚性连接在车架上，随车架一起运动。上述机构运动关系与实际车辆的受力传递路径基本一致，验证了三维装配模型的正确性。4.3车体有限元建模与仿真分析4.3.1车体有限元模型的建立为分析车体结构的受力性能，需要在SolidWorksSimulation中建立其有限元模型。主要步骤包括：(1)材料属性定义。根据车体的材料选择，输入杨氏模量、泊松比、密度等材料参数。本文选用的6082铝合金的相关参数见表4-1。表4-16082铝合金的材料属性参数参数数值杨氏模量E(GPa)70泊松比v0.33密度ρ(kg/m³)2700屈服强度σ_s(MPa)260网格划分。选择适当的单元类型和尺寸，对车体模型进行网格剖分。本文采用四面体二阶单元，单元尺寸为30mm，局部加密到10mm，生成的网格模型如图4-4所示。图4-4车体有限元网格模型(3)边界条件定义。根据车体的实际受力状态，定义合理的载荷和约束条件。一般将车体底部与底盘连接的区域定义为固定约束，在顶板和侧板上施加均布压力，以模拟货物的重力作用。此外，还需考虑紧急制动工况，在前围板上附加惯性力载荷。(4)求解计算。完成前处理后，提交模型进行求解计算。计算结果包括应力云图、变形云图、应变云图等，以评估车体结构的强度和刚度是否满足要求。4.3.2车体静力学分析静力学分析是评估车体强度的基本方法。图4-5给出了在均布载荷作用下，车体的Mises等效应力分布云图。可以看出，应力主要集中在前围板与顶板、底板的连接处，最大应力为120.5MPa，出现在前围板的边缘。图4-5车体Mises应力云图据材料力学，6082铝合金的屈服强度为260MPa。由于最大Mises应力远小于屈服强度，因此车体在静载荷下不会发生屈服破坏，满足强度设计要求。但应力集中现象较为明显，前围板与顶底板的连接区域应进行必要的结构补强。图4-6示出了在前述载荷工况下，车体的变形位移云图。最大变形量为5.2mm，出现在顶板的中央区域。顶板的变形明显大于侧板和前后围板，主要是由于顶板跨度较大，刚度相对较低。尽管顶板的变形量不大，但考虑到货厢密封性的要求，后续设计仍需进一步提高顶板的抗弯刚度，可通过增大壁厚或设置加强筋的方式实现。图4-6车体变形位移云图4.3.3车体模态分析模态分析可以预示结构在周期载荷下的动力响应，避免共振引起的疲劳失效。图4-7给出了车体前六阶固有频率和振型云图。可以看出，一阶固有频率为38.5Hz，基频相对较高，主要是由于采用铝合金材料降低了车体质量。低阶振型主要表现为顶板和侧板的整体弯曲，而前后围板的变形很小。这与车厢的实际受力状态是一致的。图4-7车体模态振型云图从模态分析的结果来看，车体结构不存在明显的薄弱环节，在正常载荷激励下不易发生共振破坏。但在车辆行驶时，路面、动力系统等因素会引入较宽频带的随机振动，其中高频成分可能激发车体的高阶模态，导致局部区域的应力集中，影响车体的使用寿命。因此，在后续设计中，应重点关注振动易损部位，通过合理布置加强筋、填充发泡材料等措施，进一步提高车体结构的动态特性，以满足矿用车辆的可靠性要求。4.4其他主要零部件的建模与分析除车体外，平巷人车的转向器、制动器、减振器等零部件也是结构设计的重点。这些部件工作时承受交变载荷，强度和刚度要求很高。为保证其可靠性，本文也对这些零部件进行了建模和仿真分析。以前转向器为例，通过软件建立了其三维实体模型，并进行网格划分，如图4-8所示。转向节点、摆臂等关键区域采用加密网格，以提高计算精度。在此基础上，按照实际工况，对转向器施加载荷和边界条件，开展静力学和模态分析。计算结果表明，前转向器的最大Mises应力为205MPa，小于材料许用应力；最大变形量为1.2mm，转向性能不会受到明显影响；一阶固有频率为125Hz，远高于路面激励的主频，共振风险很小。图4-8前转向器有限元简图与前转向器类似，本文还对制动器、减震器、车桥等零部件进行了系统的仿真分析，限于篇幅这里不再详述。分析结果表明，改进后的零部件在强度、刚度、模态等方面均满足设计要求。基于计算机仿真分析，可大幅提高零部件的设计质量，减少试制和返工，缩短产品开发周期。4.5改进前后结果对比为直观评价优化设计的效果，本文将改进后人车的主要性能指标与原设计进行了对比，结果如表4-2所示。从中可以看出，新设计在动力性、经济性、平稳性等方面均实现了不同程度的提升。其中，整车质量降低了32%，这主要得益于铝合金车体的应用；在此基础上，最大行驶速度、爬坡能力等动力指标均有所增加，而百公里油耗则降低了20%。得益于新型减振器和转向机构的使用，人车的振动加速度降低了55%，转弯半径缩小了18%，乘坐的舒适性和灵活性显著改善。静强度、刚度、模态等仿真结果也证实了新车体结构的可靠性。第五章总结5.1工作总结本文针对矿用平巷人车存在的动力性差、经济性低、平稳性不足等问题，开展了车辆关键部件的优化设计和整车性能的仿真分析，取得了以下主要成果：(1)选用新型6082铝合金材料，对平巷人车的车体进行了轻量化设计。通过对比材料性能参数、开展有限元分析等，论证了铝合金车体的可行性。优化设计后，车体质量降低了32%，有效改善了车辆的动力性和经济性。(2)针对车辆的转向机构存在转角不足、可靠性低等不足，设计了新型双横臂式独立悬架转向机构。采用创新的球铰结构，取代易损的十字轴万向节，提高了转向系统的灵活性和耐久性。转向器的受力分析表明其满足强度要求。(3)针对现有人车减振器阻尼特性单一、频带窄等局限，引入了新型磁流变减振器。建立阻尼力数学模型，运用蝶形图法完成减振器参数辨识，实现了阻尼力的主动调节，频域和时域性能均得到显著提升。(4)设计了满足矿用车辆装配和动力传递要求的新型等速万向节。采用内、外万向节壳体和钢球相结合的结构形式，解决了传统十字轴式万向节存在的结构尺寸大、装配难度高等问题，在保证强度的同时，实现了体积小型化。(5)运用SolidWorks软件，完成了平巷人车及其主要零部件的三维建模与装配。在此基础上，系统开展了车体的静强度、刚度、模态等性能的有限元分析，优化了车体结构