仿生學(xué)在露天礦車車斗上的應(yīng)用

仿生學(xué)在露天礦車車斗上的應(yīng)用

0仿生學(xué)及等應(yīng)力框架設(shè)計(jì)理論體系上的車斗設(shè)計(jì)隨著采煤和露天開(kāi)采深度的增加，為了提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本，越來(lái)越多的礦山引入了大型非道路自洗車（以下簡(jiǎn)稱自洗車）。自卸車噸位加大則車斗的裝載量增加,另外,由于礦山的工作環(huán)境惡劣、部分區(qū)域溫差大、海拔高度影響,以及裝載物料種類及松散比不同等,致使車斗一般運(yùn)行10~16個(gè)月就完全報(bào)廢,修復(fù)和更換破壞的車斗的費(fèi)用高昂,因此研制自重輕、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)的自卸車車斗顯得十分重要。作者所在團(tuán)隊(duì)與澳大利亞技術(shù)人員合作,針對(duì)目前礦上常用車斗存在的問(wèn)題,提出基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)理念,采用等應(yīng)力框架設(shè)計(jì)理論進(jìn)行車斗底架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高車斗強(qiáng)度和剛度并實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì);底板采用流線型上翹尾部和“非光滑表面處理”解決車斗滯料和磨損的問(wèn)題;車斗前板拱形設(shè)計(jì)提高礦車的卸載效率。1車斗滯料問(wèn)題(1)車斗自重較大,礦車有效載荷降低、礦車的質(zhì)量利用系數(shù)降低;(2)在某些工作環(huán)境溫差大、裝載物料具有一定黏性的情況下,車斗易出現(xiàn)滯料現(xiàn)象,降低了礦車裝載效率;(3)礦車運(yùn)行路況復(fù)雜,物料容易從尾部散落,造成運(yùn)輸效率低;(4)卸料時(shí)車斗末端離地面太近,物料卸載后需要推土機(jī)清理物料堆場(chǎng);(5)裝載機(jī)裝載高度高,車斗底板遭受劇烈沖擊;(6)卸載時(shí),物料與車斗底板摩擦導(dǎo)致車斗磨損嚴(yán)重。2新車輛性能理論2.1鋸齒形的草葉仿生學(xué)就是通過(guò)研究自然物質(zhì)和生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、材料和工作原理等,為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想,并將這些原理應(yīng)用于工程技術(shù)之中。例如魯班從鋸齒形的草葉中“悟”到了鋸的原理;從魚兒能在水中游來(lái)游去,設(shè)計(jì)出模仿魚類的船,以木槳仿鰭進(jìn)行水上作業(yè)等。簸箕是用竹篾編成的器具,三面有邊沿,一面敞口,并且楔形發(fā)散,便于裝卸糧食。本設(shè)計(jì)的新型車斗形態(tài)結(jié)構(gòu)就是模仿這種用來(lái)簸揚(yáng)糧食及把糧食裝袋的“簸箕”。傳統(tǒng)車斗前后寬度相等,長(zhǎng)期卸載后造成車斗尾部側(cè)板和底板磨損嚴(yán)重。改進(jìn)后的車斗如圖1所示,仿生簸箕楔形發(fā)散結(jié)構(gòu),使得側(cè)板所受的磨損力大大降低,提高了車斗的使用壽命。2.2車斗底部寬度車斗發(fā)散角的確定主要取決于3方面的因素:車斗頭部寬度x受車型及車頭尺寸的影響;車斗尾部寬度y受自卸車底盤大架及路面寬度的影響;車斗高度z受路況中山洞高度、裝載機(jī)裝載高度及礦用自卸車質(zhì)心位置的影響。(2)受車負(fù)載最大限制車斗楔形發(fā)散后,車斗載重量增加,但不能超過(guò)其最大載重量,否則出現(xiàn)超載現(xiàn)象,自卸車的控制系統(tǒng)達(dá)不到要求。(3)土壓力系數(shù)推導(dǎo)側(cè)板的磨損與卸載過(guò)程中側(cè)板所受的摩擦力有直接的影響,而摩擦力主要是由側(cè)板所受的土壓力產(chǎn)生的。取車廂側(cè)板的滑動(dòng)楔體,采用薄層單元法,推導(dǎo)出側(cè)板所受的土壓力式中k1、k2、k3———土壓力系數(shù);p———頂面鉛垂力,kPa;c———裝載物料內(nèi)聚力,kPa;cn———物料與車斗側(cè)板粘附力,kPa。2.3流質(zhì)的影響流線型是物體的一種外部形狀,通常表現(xiàn)為平滑而規(guī)則的表面,沒(méi)有大的起伏和尖銳的棱角。流體在流線型物體表面主要表現(xiàn)為層流,沒(méi)有或很少有湍流,這保證了物體受到較小的阻力。車斗中的物料顆粒流動(dòng)類似于流體中的層流,流線型的設(shè)計(jì)使得物料運(yùn)動(dòng)的阻力大大降低,解決了車斗底板滯料的問(wèn)題,同時(shí)流線型的設(shè)計(jì),加快了車斗物料的卸載,提高了車斗的卸載效率,延長(zhǎng)了車斗的壽命。2.4d板板、雞蛋的設(shè)計(jì)由于物料顆粒的不確定性、裝載高度不同以及各種惡劣的工況,決定了車斗前板承受較大的動(dòng)載荷,容易疲勞破壞。在仿生學(xué)里,奇妙的雞蛋蛋殼結(jié)構(gòu)為人們展示了以最少的材料造出最大的空間,并承受相當(dāng)于它自重幾百倍的力而不被壓碎,體現(xiàn)了大自然最自然、最合理、最經(jīng)濟(jì)、最有效的杰作。借鑒雞蛋的拱形薄壁結(jié)構(gòu),將前板設(shè)計(jì)成拱形外凸結(jié)構(gòu)。車斗前板的拱形面臥坐在主梁上,增加了主梁與前板的接觸面積,使得沖擊力直接傳到主梁上,而不是全部由前板來(lái)承受,減緩了前板所受物料的沖擊力。這種結(jié)構(gòu),不僅使車斗能承受很大的載荷及沖擊力,也增加了車斗的有效載荷,同時(shí)流線型設(shè)計(jì)有助于物料的卸載,提高了卸載效率。3車輛地面的模仿結(jié)構(gòu)3.1設(shè)計(jì)車斗的結(jié)構(gòu)框架模型生命體是世上最完美的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),如生活在海洋中的哺乳動(dòng)物—鯨魚。鯨魚胸腔外形呈現(xiàn)完美的流線拱形,符合它在水中游動(dòng)時(shí)受阻最小的動(dòng)力學(xué)原理,如此簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)能支撐鯨魚巨大的體重以及相當(dāng)于自重幾十倍的壓力;并且鯨魚的骨骼具有海綿狀組織,體積內(nèi)有較多的脂肪,可以增大身體的體積,增大浮力,在工程上合乎“以最少材料”構(gòu)成“最大合理空間”的要求。把鯨魚的骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架機(jī)理應(yīng)用于自卸車車斗的主體框架上,如圖2所示,使得車斗強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好、承受外界載荷能力增強(qiáng);使得車斗容積大、載重量大,以最少的材料構(gòu)造出最大的空間;實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、功能、材料的優(yōu)化配置,有效提高工程效率,降低工程結(jié)構(gòu)成本。3.2車斗織構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)目前礦上常用車斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在如下問(wèn)題:(1)車斗結(jié)構(gòu)都是由底板、前板、側(cè)板和篷板焊接而成。各部分都是獨(dú)立的部件,并無(wú)框架之說(shuō)。(2)車斗的加強(qiáng)肋也只是孤立地焊接在車斗的箱壁上,起到提高車斗抗彎強(qiáng)度的作用,但是抗扭強(qiáng)度不足,車斗大部分靜載荷還是由底板來(lái)承擔(dān),不能直接傳到車架上。(3)車斗肋板寬度與厚度都一樣,都是按照最下面受到的載荷來(lái)校核強(qiáng)度和剛度的,不能合理地利用材料。針對(duì)以上不足,提出如下改進(jìn):(1)車斗主體仿生鯨魚的拱形肋骨架,如圖3所示,提出車斗框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖4所示。整個(gè)車斗的框架好比鯨魚的骨骼系統(tǒng),支撐著整個(gè)車的載重。車斗框架主要由頂板、前壁、加強(qiáng)肋、側(cè)板和主梁組成?？蚣芙Y(jié)構(gòu)將直接承載及傳遞載荷到底盤,而車斗底板的鋼板僅承擔(dān)局部靜載荷,這樣車斗底板可采用薄板,從而減輕了車斗的重量,實(shí)現(xiàn)了車斗的輕量化設(shè)計(jì)。(2)車斗側(cè)板框架縱向槽鋼根據(jù)側(cè)板所受土壓力的大小,采用變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于車斗側(cè)板受到類似于水壓的力,所以側(cè)板從下到上土壓力逐漸減小。根據(jù)等應(yīng)力理論,則側(cè)板框架縱向槽鋼由下向上截面積逐漸減小,這樣大大減輕了車斗自重,有效裝載載荷增大,同時(shí)減少了自卸車的燃油消耗,延長(zhǎng)了其使用壽命。(3)車斗框架截面形式采用U形鋼,提高車斗的抗彎強(qiáng)度。4基于汽車零部件的摩擦性能設(shè)計(jì)4.1車斗底板磨損重型自卸車車斗大多用于露天礦山裝載礦石或土方,并且裝載機(jī)裝載時(shí)下落高度大,使車斗底板承受強(qiáng)烈的物料碎石沖擊和磨粒磨損。為了提高車斗壽命,需增強(qiáng)車斗底板的磨損性能。生活在海灘環(huán)境中的貝類,常年受到海水和沙石的沖蝕,貝殼卻完好無(wú)損。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)作為生物陶瓷材料的貝殼,其表面具有褶皺型結(jié)構(gòu),在磨料磨損中貝殼表面的褶皺結(jié)構(gòu)首先受到泥沙的沖擊,當(dāng)表面褶皺結(jié)構(gòu)被磨去之后,才能對(duì)貝殼中的純材料進(jìn)行磨損。根據(jù)貝殼抗磨料磨損的機(jī)理,提出對(duì)底板采取“非光滑表面處理”措施,提高底板的抗磨性能。4.2車斗底板的磨損力(1)車斗底板添加“耐磨肋條”,實(shí)現(xiàn)車斗底板非光滑表面處理。(2)基于“rock-box-effect”巖石箱效應(yīng)原理,對(duì)車斗底板采取焊接巖石框的幾何非光滑表面處理,提高底板的耐磨性。(3)車斗尾部采用流線型上翹結(jié)構(gòu)。這樣在車斗卸載物料時(shí),使得上部物料先卸載,底部物料后卸載。而底部物料重量很小,所以底部物料卸載時(shí)將產(chǎn)生很小的底板磨損力。上翹底板設(shè)計(jì)降低了底板的磨損,使得車斗底板可以使用較薄的鋼板。較薄鋼板的應(yīng)用使得車斗的自重降低,提高了車斗的裝載效率,實(shí)現(xiàn)了車斗的輕量化設(shè)計(jì),所以此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)于前2種方法經(jīng)濟(jì)性價(jià)比較高。5解決了車斗滯料問(wèn)題,提高了車斗的裝卸效率,延長(zhǎng)了車