礦車通常由機(jī)車牽引，運(yùn)行于窄軌之上，它可以有效地將所開(kāi)采礦石及矸石運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢�，是一種優(yōu)良的巷道及井下運(yùn)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(yùn)輸設(shè)備，其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，卸載曲軌通常為空間螺旋線，如用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，必須通過(guò)物理樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)方案的可行性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程漫長(zhǎng)且費(fèi)用較高。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)礦車的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，力求獲得滿足實(shí)際需要的卸載系統(tǒng)，對(duì)于提高礦車研發(fā)效率、降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、控制設(shè)計(jì)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(jī)車牽引下，礦車沿軌道向前運(yùn)行，卸載推桿通過(guò)曲軌過(guò)渡裝置時(shí)，首先使卸載推桿的間隙消除，當(dāng)推桿通過(guò)曲軌自卸段時(shí)，車廂開(kāi)始繞底盤上的轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)；與此同時(shí)，車廂門的鎖鉤在其開(kāi)起機(jī)構(gòu)挺桿的作用下開(kāi)始回轉(zhuǎn)，當(dāng)車廂傾轉(zhuǎn)達(dá)到一定的角度時(shí)，鎖鉤與側(cè)門脫開(kāi)，側(cè)門開(kāi)起并卸礦。

圖1 單側(cè)曲軌側(cè)卸式礦車

    隨著礦車向前運(yùn)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(jìn)入曲軌的復(fù)位段，礦車各部動(dòng)作與卸載時(shí)剛好相反，側(cè)門在自重作用下逐漸關(guān)閉，鎖鉤復(fù)位鉤住側(cè)門，完成一次卸載過(guò)程。由于卸載過(guò)程中礦車受力狀況復(fù)雜，整個(gè)礦車要承受較大的沖擊載荷，因此卸載能否順利進(jìn)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(jì)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(jì)

    礦車的推桿在曲軌上運(yùn)行，其運(yùn)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(shí)刻都保持垂直，不產(chǎn)生任何附加彎矩；因此，曲軌設(shè)計(jì)顯得尤為重要，其形狀的好壞直接關(guān)系到礦車工作時(shí)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(guò)程中占有重要的地位，推桿裝置設(shè)計(jì)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(guò)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(gè)車體和礦物的承載結(jié)構(gòu)和走行機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)精度決定了礦車的整體功能；因此，必須對(duì)其加以認(rèn)真仔細(xì)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(shí)側(cè)門最大限度的開(kāi)起，又要保證運(yùn)輸時(shí)的可靠閉合。

圖5 車廂

圖6 側(cè)門

3 礦車自由度計(jì)算

    在推桿裝置進(jìn)入曲軌卸載段時(shí)，礦車系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為如圖7所示的連桿機(jī)構(gòu)，要使其具有確定的運(yùn)動(dòng)，原動(dòng)件的數(shù)目必須等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)。礦車卸載屬空間機(jī)構(gòu)問(wèn)題，其自由度的計(jì)算需要考慮各構(gòu)件的6個(gè)自由度�？臻g運(yùn)動(dòng)副主要包括Ⅰ級(jí)副～Ⅴ級(jí)副，其所提供的約束數(shù)目分別是1～5。設(shè)空間機(jī)構(gòu)共有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，p₁個(gè)Ⅰ級(jí)副，p₂個(gè)Ⅱ級(jí)副，p₃個(gè)Ⅲ級(jí)副，p₄個(gè)Ⅳ級(jí)副和P₅個(gè)Ⅴ級(jí)副，則機(jī)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(dòng)副屬于虛約束，可以忽略，而底盤與鋼軌間的2個(gè)移動(dòng)副具有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以看作是一個(gè)移動(dòng)副。代入式1可得：

    可見(jiàn)，整個(gè)礦車的自由度為1，系統(tǒng)具有確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

    當(dāng)推桿進(jìn)入曲軌過(guò)渡段時(shí)，推桿與車廂間形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。當(dāng)推桿通過(guò)曲軌過(guò)渡段進(jìn)入卸載段后，上述轉(zhuǎn)動(dòng)副消失，此時(shí)只需考慮礦車進(jìn)入卸載段時(shí)是否對(duì)車體產(chǎn)生沖擊。

4 力學(xué)方程建立

    如圖7所示為單側(cè)曲軌自卸式礦車多剛體動(dòng)力學(xué)模型，在對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，可不考慮構(gòu)件的彈性變形，礦車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，須進(jìn)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(yùn)動(dòng)副中無(wú)間隙和摩擦；3）構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)與機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)一致，并建立等效構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)模型，據(jù)此，將復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題看作是等效構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題來(lái)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)F_k(k=1，2，…，m)和M_j(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F_e和等效力矩M_e的功率與機(jī)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；v_k為外力F_k作用點(diǎn)的速度；ω_j為外力矩M_j作用在構(gòu)件的角速度。

    根據(jù)式2可求出F_e和M_e的表達(dá)式為：

    式中，α_k為F_k與V_k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(dòng)比（ω_j/v、v_k/v（或ω_i/ω、v_k/ω）有關(guān)。

    4.2 質(zhì)心及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定

    等效構(gòu)件所具有的總動(dòng)能是各構(gòu)件的分動(dòng)能之和，因此，做空間運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所具有的動(dòng)能為：

    式中，m為構(gòu)件的質(zhì)量；I為構(gòu)件相對(duì)于質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；V_r為構(gòu)件質(zhì)心的速度；ω為構(gòu)件的角速度。

    對(duì)于做平動(dòng)或定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件，式4可分別簡(jiǎn)化為：

    式中，I_o為構(gòu)件相對(duì)于其轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

    根據(jù)動(dòng)能相等的原則，等效構(gòu)件的質(zhì)量m_e和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I_e應(yīng)滿足：

    推導(dǎo)出的等效構(gòu)件的質(zhì)量m_e和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I_e可表示為：

    式中，v_k為第i個(gè)構(gòu)件質(zhì)心速度；ω_i為第i個(gè)構(gòu)件角速度；n為活動(dòng)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(dòng)慣量。由于計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單而繁復(fù)，因此本文僅給出計(jì)算所得的結(jié)果，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 各部件的質(zhì)量分布及相關(guān)數(shù)據(jù)

    4.3 動(dòng)力學(xué)方程建立

    取單個(gè)礦車為研究對(duì)象，卸載軌道內(nèi)外礦車底盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，且僅做平動(dòng)；卸載段和復(fù)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(dòng)。

    根據(jù)動(dòng)力學(xué)普遍方程，可得出多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

    式中，

    Mi為剛體i的質(zhì)量；[g_i]為剛體i的中心慣性張量；r_i為剛體i的質(zhì)心矢徑；ω_i為剛體i的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；δ_P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；F^q_i為作用在剛體i的外力主矢；M為作用在剛體i的相對(duì)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(shí)，可把推桿裝置、車廂和掛鉤看作整體，而側(cè)門看作是一個(gè)部件。其重心位置如圖8所示，坐標(biāo)系見(jiàn)表2。

圖8 礦車原始狀態(tài)重心位置

表2 礦車未翻轉(zhuǎn)時(shí)的重心坐標(biāo)

    當(dāng)車廂圍繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)過(guò)40°時(shí)，車廂側(cè)門打開(kāi)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得車廂在最大翻轉(zhuǎn)角度時(shí)礦車的重心坐標(biāo)。

    整個(gè)車廂在回轉(zhuǎn)40°時(shí)的重心橫坐標(biāo)為：

    回轉(zhuǎn)中心距2條軌道對(duì)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(jiàn)，當(dāng)車廂翻轉(zhuǎn)40°時(shí)，整個(gè)礦車距右邊軌道內(nèi)側(cè)的距離為136.75mm，礦車不會(huì)產(chǎn)生傾翻；因此，礦車是穩(wěn)定的。

6 結(jié)語(yǔ)

    以單側(cè)自卸式礦車為研究對(duì)象，對(duì)其性能進(jìn)行了理論分析，綜合運(yùn)用三維CAD軟件，建立其虛擬樣機(jī)模型，然后進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)單側(cè)曲軌自卸式礦車進(jìn)行了研發(fā)，建立了其虛擬樣機(jī)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(duì)其關(guān)鍵的零部件進(jìn)行了分析�；�于單側(cè)曲軌自卸式礦車的主要工況，建立了其力學(xué)方程。對(duì)該型礦車的穩(wěn)定性進(jìn)行了校核。

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本文標(biāo)題：單側(cè)自卸式礦車研究

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