CN111639457B - 一种矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，通过简易公式计算出试验工装的关键尺寸并通过有限元分析进行强度的校核，用该设计方法设计出来的试验工装，能够用于对电动轮进行装机前的试验，并能保证试验工装的强度。另外，本发明还提供了一种采用该试验工装的电动轮试验方法。

Description

一种矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法及试验方法

技术领域

本发明涉及矿用自卸车电动轮试验技术领域，尤其是一种矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法及试验方法。

背景技术

电动轮是电传动自卸车中唯一的减速增扭机构，由轮边减速器、牵引电机、制动器等零部件组成，轮边减速器通过螺栓固定在后桥壳上，电机通过花键套与轮边减速器齿轮箱连接，制动器固定在牵引电机后端。通常以上部件均不是同一个供应商生产制造，由于生产制造误差，装配好后还需要对电动轮进行一系列试验，以确保电动轮各个零件磨合到位。

由于电动轮试验需要跑合试验工装，用来控制电机在不同的转速下试验，目前大多数厂家普遍做法是省略该项试验，装车后由整车运行代替跑合试验，此方法虽能完成跑合试验，但是在试验中若发现不合格项，很难定位到故障具体的位置，且重新拆装电动轮是非常困难的。

电动轮组装后，重量可达8吨，因此对跑合试验工装的强度提出了很高的要求。

发明内容

本发明目的是一种矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，采用该设计方法设计出来的试验工装，能够用于对电动轮进行装机前的试验，并能保证试验工装的强度。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，所述试验工装包括底座、在底座上间隔设置的两个支座以及设在两个支座之间的横向限位梁，两个支座用于在竖直方向上承托电动轮，横向限位梁用于侧向限位电动轮进而防止电动轮在重力作用下翻转；所述设计方法如下：

（1）通过F₁=G/2，A₁≥F₁/σ₁，求得A₁；

在上式中，G为电动轮重量，F₁支座受到的正压力，σ₁为支座的屈服强度，A₁为支座的截面积；

（2）通过F₂=（G*L₁）/H，A₂≥F₂/σ₂，求得A₂；

在上式中，F₂为电动轮作用在横向限位梁上的横向压力，L₁为电动轮的重心到F₂作用在横向限位梁上的面的横向距离，H为电动轮重心到F₂的纵向距离，σ₂为横向限位梁的屈服强度，A₂为横向限位梁的截面积；

（3）通过（G* L₂）/2≥（9550*i*U*I）/n，求得L₂；

上式中，L₂为两支座的间距，U、I、n、i参数分别为试验大纲中要求的电动轮转速对应的电机电压、电流、转速、减速器传动比值。

进一步的， A₁和/或A₂和/或L₂取最小值。

进一步的，对求得的A₁乘以安全系数k₁；并且/或，对求得的A₂乘以安全系数k₂；并且/或，对求得的L₂乘以安全系数k₃。

进一步的，电动轮包括固定端和转动端，固定端包括安装板，试验过程中两支座与安装板固定，横向限位梁的侧面与安装板的侧面相贴。

进一步的，安装板的两端分别固定连接有连接板，支座的顶部设有安装槽，连接板设在安装槽中。

进一步的，所述底座为矩形框架，底座包括两第一连接梁和两第二连接梁，两支座分别设在两第一连接梁的顶部，横向限位梁固设在两第一连接梁之间。

进一步的，还包括步骤（4）：根据求得的A₁ 、A₂和L₂值，建立有限元模型，对试验工装进行有限元校核。

进一步的，有限元校核的方法如下：

综合试验工装的几何形状、受力特点及对计算精度的要求的因素，选择用四面体单元对后桥壳结构进行离散化处理；电动轮以其形态特点的形式安装在试验工装上，计算模型中，焊缝以焊缝处节点重合的形式模拟；

在结构的离散化完成以后,为了能用节点位移表示单元假设位移是坐标的函数；根据所选定的单元位移模式导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式,因此它也决定了相应的位移插值函数，其矩阵形式为：

①：{f}e=[N] {δ}e；

式①中{f}e为单元内任一点的位移列阵；{δ}e为单元的节点位移列阵；[N]称为为形函数矩阵，它的元素是位移的函数；

单元力学特性的分析：

在选择了单元类型和相应的位移模式后,就可以进行单元特性的分析,它包括下面三部分内容：

用几何方程，由表达式①导出用节点位移表示单元内任意一点应变的关系式：

②：{ε}=[B]{δ}e；

式②中{ε}是单元内任一点的应变列阵；[B]称为单元应变矩阵；

利用物理方程，由应变的表达式②导出用节点位移表示单元应力的关系式：

③：{σ}=[D][B] {δ}e=[S] {δ}e；

式③中：{σ}是单元内任一点的应力矩；[D]是与单元材料相关的弹性矩；[S]称为应力矩阵；

利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系；其中：刚度方程为：

④：{R}e=[K]{δ}e；

式④中：{R}e是单元的等效节点力矩阵；[K]是单元刚度矩阵；由此可以导出：

⑤：[K]= ∫∫∫[B]T[D][B]dxdydz；

根据以上计算的方法，得出试验工装有限元计算结果应力图。

进一步的，包括步骤（5）：对试验工装进行跑合试验以验证试验工装的强度。

另外，本发明还提供了一种前述设计方法设计出来的试验工装的试验方法，包括以下步骤：

（1）检查电动轮：检查电动轮螺栓是否有标记，齿轮箱是否加注齿轮油；

（2）安装试验固定板：使用螺栓和螺母将固定板对称安装在电动轮机架上；

（3）接电源线：

用螺栓、垫圈以及螺母将电动轮三根电机大线的线鼻子和试验电源三相线的线鼻子对接紧固，电机大线与试验电源三相线接的线方式为：黄—黄、绿—绿、红—红，并将线缆接头部分用绝缘胶带严密缠绕；

用螺栓、垫圈以及螺母将电动轮的接地线线鼻子和试验台接地线线鼻子对接紧固，并将线缆接头部分用绝缘胶带严密缠绕；

线缆连接完成后，须确保线缆与电动轮转动部分无干涉，若有，需用扎带对干涉线缆进行固定；

（4）安装传感器：使用2个温度传感器、1个振动传感器以及1个噪声传感器，温度传感器贴片固定在齿轮油箱下方和试验工装上，监测电动轮温升与环境温度变化；振动传感器贴在靠近轮毂轴承的位置，监测电动轮工作时振动频率；噪声传感器安装在距离电动轮1米处位置，监测电动轮工作时噪声；

（5）启动设备自检：合上墙壁上的磨合试验台电源，启动控制台，选择手动试验模式，启动变频柜，打开检测开关，检查传感器工作是否正常，并将所选用平台频率调节按钮调到0的位置；

（6）正转试验：

选择正转试验方式，按下面板上的启动运行按钮，等待10s，变频器进入运行状态；慢慢旋转选用平台的频率调节按钮到58.1Hz，开始试验，试验过程中有异常，应立即停机，检查接线，安装情况和设备状态，排除异常因素，才能继续试验，试验者应观察监控整个试验，不得擅离岗位；

（7）记录数据：试验开始后系统实时记录电动轮运行的温升、振动和噪声数据，随时观察运行有无异常，若发现异常，及时停止试验；

（8）试验完成检查：试验完成后，旋转选用平台频率调节按钮到最小位置，待电动轮完全停止转动后，将正转旋钮旋到停止位置，然后断开选用平台变频器电源，待变频器完全断电后，才允许下一步操作，检查齿轮是否漏油，以及减速器内齿轮油是否在标尺范围内；

（9）拆除接线，电动轮拆除。

采用上述设计方法，通过简化的计算公式得出基础尺寸，然后通过有限元分析进行校核，有效保证了试验工装的设计强度，且能够在满足强度要求的前提下，尽可能的减少材料的使用量，降低了试验工装的成本。

试验工装制造出来后，理论与实际相结合，将试验工装运用于实际试验中，进一步验证工装的强度。

试验工装的结构简易且合理，既能很好的对电动轮进行支撑，又能保证电动轮的转动端悬空，保证试验效果。

本发明的试验方法介绍了详细的试验步骤，能够对电动轮进行系统、专业的试验。

附图说明

图1为试验工装的立体示意图。

图2为电动轮安装在试验工装上的示意图。

图3为电动轮安装在试验工装上的正面示意图。

图4为电动轮安装在试验工装上的侧面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明进行说明。

如图1所示，电动轮总成由轮边减速器、牵引电机等部件组成，试验要求对电动轮输入一定的转速下，持续24h监测数据，监测数据包括温升、振动、噪声和漏油情况。电动轮工作时分为两部分，一部分为固定在试验工装上的静止部分，即固定端1，一部分为旋转部分，即转动端2。

试验工装的结构如下：

如图2所示，试验工装包括底座3、在底座3上间隔设置的两个支座4以及设在两个支座4之间的横向限位梁5，底座3为矩形框架，底座3包括两第一连接梁和两第二连接梁，两支座4分别设在两第一连接梁的顶部，横向限位梁5固设在两第一连接梁之间。试验工装采用Q235材料的钢材焊接而成。

两个支座4用于在竖直方向上承托电动轮，横向限位梁5用于侧向限位电动轮进而防止电动轮在重力作用下翻转；

电动轮的固定端1包括安装板6，试验过程中，安装板6的两端分别固定连接有连接板7，支座4的顶部设有安装槽8，连接板7设在安装槽8中，横向限位梁5的侧面与安装板6的侧面相贴。

组装后的电动轮总重达8t，通过螺栓与安装板6连接，再将电动轮放置在试验工装上。由于电动轮处于悬臂机构，存在很大翻转力矩，底座3需要做到非常大才能抵消翻转力矩。设计师将工装下方增加横向限位梁5，横梁与电动轮安装板6接触，可抵消翻转力矩。

电动轮在试验工装上转动时，试验工装受力为电动轮自身的重力、上述的翻转力矩以及电动轮旋转时的倾覆力矩。试验工装要在上面几种集中力或力矩下保证正常，才能符合试验的安全要求。

上述试验工装的设计方法如下：

如图3、4所示，

（1）通过F₁=G/2，A₁≥F₁/σ₁，求得A₁；

在上式中，G为电动轮重量，F₁支座4受到的正压力，σ₁为支座4的屈服强度，A₁为支座4的截面积；

（2）通过F₂=（G*L₁）/H，A₂≥F₂/σ₂，求得A₂；

在上式中，F₂为电动轮作用在横向限位梁5上的横向压力，L₁为电动轮的重心到F₂作用在横向限位梁5上的面的横向距离，H为电动轮重心到F₂的纵向距离，σ₂为横向限位梁5的屈服强度，A₂为横向限位梁5的截面积；

（3）通过（G* L₂）/2≥（9550*i*U*I）/n，求得L₂；

上式中，L₂为两支座4的间距，U、I、n、i参数分别为试验大纲中要求的电动轮转速对应的电机电压、电流、转速、减速器传动比值。

步骤（3）中公式的原理如下：试验开始时，电动轮刚启动时会产生一个启动转矩M₁，转速稳定后转矩为M₂，当电动轮出现故障时，齿轮卡住不能转动时，会产生一个转矩M₃，他们关系为M₃＞M₁＞M₂，此刻，计算受力时仅考虑转矩M₃。电动轮产生了M₃的转矩会使试验工装产生绕着一个支座4的支点翻转的趋势，只有足够的L₂长度才能平衡翻转趋势。

通过步骤（1）至（3），A₁、A₂以及L₂取最小值，可以降低试验工装的材料成本。

另外，为了进一步保证试验工装的强度，保证试验的安全顺利进行，对求得的A₁乘以安全系数k₁，对求得的A₂乘以安全系数k₂，对求得的L₂乘以安全系数k₃，得到最终的设计值，通常的，k₁、 k₂ 以及k₃皆取2.0。

通过上述步骤，求得的A₁ 、A₂和L₂的最终的设计值，进行步骤（4）：建立有限元模型，对试验工装进行有限元校核。

有限元校核的方法如下：

综合试验工装的几何形状、受力特点及对计算精度的要求的因素，选择用四面体单元对后桥壳结构进行离散化处理；电动轮以其形态特点的形式安装在试验工装上，计算模型中，焊缝以焊缝处节点重合的形式模拟；

在结构的离散化完成以后,为了能用节点位移表示单元假设位移是坐标的函数；根据所选定的单元位移模式导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式,因此它也决定了相应的位移插值函数，其矩阵形式为：

①：{f}e=[N] {δ}e；

式①中{f}e为单元内任一点的位移列阵；{δ}e为单元的节点位移列阵；[N]称为为形函数矩阵，它的元素是位移的函数；

由此可知选择合适的位移函数是有限元分析的关键,它将决定有限元解答的性质与近似程度,车体的有限元计算单元根据这为依据进行选择；

单元力学特性的分析：

在选择了单元类型和相应的位移模式后,就可以进行单元特性的分析,它包括下面三部分内容：

用几何方程，由表达式①导出用节点位移表示单元内任意一点应变的关系式：

②：{ε}=[B]{δ}e；

式②中{ε}是单元内任一点的应变列阵；[B]称为单元应变矩阵；

利用物理方程，由应变的表达式②导出用节点位移表示单元应力的关系式：

③：{σ}=[D][B] {δ}e=[S] {δ}e；

式③中：{σ}是单元内任一点的应力矩；[D]是与单元材料相关的弹性矩；[S]称为应力矩阵；

利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系；其中：刚度方程为：

④：{R}e=[K]{δ}e；

式④中：{R}e是单元的等效节点力矩阵；[K]是单元刚度矩阵；由此可以导出：

⑤：[K]= ∫∫∫[B]T[D][B]dxdydz；

根据以上计算的方法，得出试验工装有限元计算结果应力图，通过应力图对设计值进行校核。

有限元分析校核后，进行步骤（5）：对试验工装进行跑合试验，一方面对电动轮进行试验，另一方面可以实际上验证试验工装的强度。

通过采用上述设计方法，通过简化的计算公式得出基础尺寸，然后通过有限元分析进行校核，有效保证了试验工装的设计强度，且能够在满足强度要求的前提下，尽可能的减少材料的使用量，降低了试验工装的成本。

试验工装制造出来后，理论与实际相结合，将试验工装运用于实际试验中，进一步验证工装的强度。

试验工装的结构简易且合理，既能很好的对电动轮进行支撑，又能保证电动轮的转动端2悬空，保证试验效果。

另外，本发明还提供了一种前述设计方法设计出来的试验工装的试验方法，包括以下步骤：

（1）检查电动轮：检查电动轮螺栓是否有标记，齿轮箱是否加注齿轮油；

（2）安装试验固定板：使用螺栓和螺母将固定板对称安装在电动轮机架上；

（3）接电源线：

用螺栓、垫圈以及螺母将电动轮三根电机大线的线鼻子和试验电源三相线的线鼻子对接紧固，电机大线与试验电源三相线接的线方式为：黄—黄、绿—绿、红—红，并将线缆接头部分用绝缘胶带严密缠绕；

用螺栓、垫圈以及螺母将电动轮的接地线线鼻子和试验台接地线线鼻子对接紧固，并将线缆接头部分用绝缘胶带严密缠绕；

线缆连接完成后，须确保线缆与电动轮转动部分无干涉，若有，需用扎带对干涉线缆进行固定；

（4）安装传感器：使用2个温度传感器、1个振动传感器以及1个噪声传感器，温度传感器贴片固定在齿轮油箱下方和试验工装上，监测电动轮温升与环境温度变化；振动传感器贴在靠近轮毂轴承的位置，监测电动轮工作时振动频率；噪声传感器安装在距离电动轮1米处位置，监测电动轮工作时噪声；

（5）启动设备自检：合上墙壁上的磨合试验台电源，启动控制台，选择手动试验模式，启动变频柜，打开检测开关，检查传感器工作是否正常，并将所选用平台频率调节按钮调到0的位置；

（6）正转试验：

选择正转试验方式，按下面板上的启动运行按钮，等待10s，变频器进入运行状态；慢慢旋转选用平台的频率调节按钮到58.1Hz，开始试验，试验过程中有异常，应立即停机，检查接线，安装情况和设备状态，排除异常因素，才能继续试验，试验者应观察监控整个试验，不得擅离岗位；

（7）记录数据：试验开始后系统实时记录电动轮运行的温升、振动和噪声数据，随时观察运行有无异常，若发现异常，及时停止试验；

（8）试验完成检查：试验完成后，旋转选用平台频率调节按钮到最小位置，待电动轮完全停止转动后，将正转旋钮旋到停止位置，然后断开选用平台变频器电源，待变频器完全断电后，才允许下一步操作，检查齿轮是否漏油，以及减速器内齿轮油是否在标尺范围内；

（9）拆除接线，电动轮拆除。

试验方法介绍了详细的试验步骤，能够对电动轮进行系统、专业的试验。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原理之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于：所述试验工装包括底座、在底座上间隔设置的两个支座以及设在两个支座之间的横向限位梁，两个支座用于在竖直方向上承托电动轮，横向限位梁用于侧向限位电动轮进而防止电动轮在重力作用下翻转；所述设计方法如下：

（1）通过F₁=G/2，A₁≥F₁/σ₁，求得A₁；

在上式中，G为电动轮重量，F₁支座受到的正压力，σ₁为支座的屈服强度，A₁为支座的截面积；

（2）通过F₂=（G*L₁）/H，A₂≥F₂/σ₂，求得A₂；

在上式中，F₂为电动轮作用在横向限位梁上的横向压力，L₁为电动轮的重心到F₂作用在横向限位梁上的面的横向距离，H为电动轮重心到F₂的纵向距离，σ₂为横向限位梁的屈服强度，A₂为横向限位梁的截面积；

（3）通过（G* L₂）/2≥（9550*i*U*I）/n，求得L₂；

上式中，L₂为两支座的间距，U、I、n、i参数分别为试验大纲中要求的电动轮转速对应的电机电压、电流、转速、减速器传动比值。

2.根据权利要求1所述矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于： A₁和/或A₂和/或L₂取最小值。

3.根据权利要求1或2所述矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于：对求得的A₁乘以安全系数k₁；

并且/或，对求得的A₂乘以安全系数k₂；

并且/或，对求得的L₂乘以安全系数k₃。

4.根据权利要求1所述矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于：电动轮包括固定端和转动端，固定端包括安装板，试验过程中两支座与安装板固定，横向限位梁的侧面与安装板的侧面相贴。

5.根据权利要求4所述矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于：安装板的两端分别固定连接有连接板，支座的顶部设有安装槽，连接板设在安装槽中。

6.根据权利要求1所述矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于：所述底座为矩形框架，底座包括两第一连接梁和两第二连接梁，两支座分别设在两第一连接梁的顶部，横向限位梁固设在两第一连接梁之间。

7.根据权利要求1所述矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于：还包括步骤（4）：根据求得的A₁ 、A₂和L₂值，建立有限元模型，对试验工装进行有限元校核。

8.根据权利要求7所述矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于：

综合试验工装的几何形状、受力特点及对计算精度的要求的因素，选择用四面体单元对后桥壳结构进行离散化处理；电动轮以其形态特点的形式安装在试验工装上，计算模型中，焊缝以焊缝处节点重合的形式模拟；

在结构的离散化完成以后,为了能用节点位移表示单元假设位移是坐标的函数；根据所选定的单元位移模式导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系式,因此它也决定了相应的位移插值函数，其矩阵形式为：

①：{f}e=[N] {δ}e；

式①中{f}e为单元内任一点的位移列阵；{δ}e为单元的节点位移列阵；[N]称为形函数矩阵，它的元素是位移的函数；

单元力学特性的分析：

在选择了单元类型和相应的位移模式后,就可以进行单元特性的分析,它包括下面三部分内容：

用几何方程，由表达式①导出用节点位移表示单元内任意一点应变的关系式：

②：{ε}=[B]{δ}e；

式②中{ε}是单元内任一点的应变列阵；[B]称为单元应变矩阵；

利用物理方程，由应变的表达式②导出用节点位移表示单元应力的关系式：

③：{σ}=[D][B] {δ}e=[S] {δ}e；

式③中：{σ}是单元内任一点的应力矩；[D]是与单元材料相关的弹性矩；[S]称为应力矩阵；

利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系；其中：刚度方程为：

④：{R}e=[K]{δ}e；

式④中：{R}e是单元的等效节点力矩阵；[K]是单元刚度矩阵；由此可以导出：

⑤：[K]= ∫∫∫[B]T[D][B]dxdydz；

根据以上计算的方法，得出试验工装有限元计算结果应力图。

9.根据权利要求7所述矿用自卸车电动轮试验工装的设计方法，其特征在于：包括步骤（5）：对试验工装进行跑合试验以验证试验工装的强度。

10.一种采用权利要求1中设计方法设计出来的试验工装的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）检查电动轮：检查电动轮螺栓是否有标记，齿轮箱是否加注齿轮油；

（2）安装试验固定板：使用螺栓和螺母将固定板对称安装在电动轮机架上；

（3）接电源线：

用螺栓、垫圈以及螺母将电动轮三根电机大线的线鼻子和试验电源三相线的线鼻子对接紧固，电机大线与试验电源三相线接的线方式为：黄—黄、绿—绿、红—红，并将线缆接头部分用绝缘胶带严密缠绕；

用螺栓、垫圈以及螺母将电动轮的接地线线鼻子和试验台接地线线鼻子对接紧固，并将线缆接头部分用绝缘胶带严密缠绕；

线缆连接完成后，须确保线缆与电动轮转动部分无干涉，若有，需用扎带对干涉线缆进行固定；

（4）安装传感器：使用2个温度传感器、1个振动传感器以及1个噪声传感器，温度传感器贴片固定在齿轮油箱下方和试验工装上，监测电动轮温升与环境温度变化；振动传感器贴在靠近轮毂轴承的位置，监测电动轮工作时振动频率；噪声传感器安装在距离电动轮1米处位置，监测电动轮工作时噪声；

（5）启动设备自检：合上墙壁上的磨合试验台电源，启动控制台，选择手动试验模式，启动变频柜，打开检测开关，检查传感器工作是否正常，并将所选用平台频率调节按钮调到0的位置；

（6）正转试验：

选择正转试验方式，按下面板上的启动运行按钮，等待10s，变频器进入运行状态；慢慢旋转选用平台的频率调节按钮到58.1Hz，开始试验，试验过程中有异常，应立即停机，检查接线，安装情况和设备状态，排除异常因素，才能继续试验，试验者应观察监控整个试验，不得擅离岗位；

（7）记录数据：试验开始后系统实时记录电动轮运行的温升、振动和噪声数据，随时观察运行有无异常，若发现异常，及时停止试验；

（8）试验完成检查：试验完成后，旋转选用平台频率调节按钮到最小位置，待电动轮完全停止转动后，将正转旋钮旋到停止位置，然后断开选用平台变频器电源，待变频器完全断电后，才允许下一步操作，检查齿轮是否漏油，以及减速器内齿轮油是否在标尺范围内；

（9）拆除接线，电动轮拆除。

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