王 靜

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

我院自行研發(fā)生產(chǎn)的錨桿鉆車(chē)配備了新設(shè)計(jì)的圓柱導(dǎo)向?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)的錨桿鉆機(jī)，本文討論的鏈條固定裝置是本鉆機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的一部分。

1 原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)缺陷

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

為了在有限長(zhǎng)的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡可能大的進(jìn)給行程，本鉆機(jī)采用動(dòng)滑輪機(jī)構(gòu)用于加倍行程。如圖1所示，鏈條一端固定，繞過(guò)滾輪后另一端連接鉆箱，進(jìn)給油缸推動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)，鉆箱實(shí)現(xiàn)行程倍增。

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小、受力狀況嚴(yán)酷，加之時(shí)間倉(cāng)促，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是很合理，在使用早期鏈條固定裝置就出現(xiàn)了損壞，針對(duì)這種情況，進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目前期方案論證，決定采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)，推進(jìn)油缸居中布置，兩側(cè)采用兩套動(dòng)滑輪倍增機(jī)構(gòu)。如圖1（a）所示，兩根鏈條一起驅(qū)動(dòng)鉆箱上升，鏈條一端固定，制造、組裝誤差導(dǎo)致兩條鏈條不同步，驅(qū)動(dòng)力不均勻。鏈條受力不均容易導(dǎo)致一根鏈條先斷，另一根也將很快損壞。

圖1 原進(jìn)給機(jī)構(gòu)

實(shí)際設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)如圖1（b）所示，兩根鏈子都固定在鏈條固定耳上，鏈條固定耳通過(guò)固定銷(xiāo)鉸接到鏈條固定桿上。如果出現(xiàn)兩根鏈子受力不均的情況，則鏈條固定耳繞鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，兩根鏈條可自動(dòng)達(dá)到均衡受力。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

如圖1（b）所示，鏈條固定桿為細(xì)長(zhǎng)桿件，且挖去了一大半的材料，強(qiáng)度、剛度不足。該桿承受偏心載荷，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)此桿出現(xiàn)明顯的彎曲變形，固定孔被壓潰。鏈條固定銷(xiāo)承受偏心載荷而發(fā)生彎曲，由于固定桿上的孔發(fā)生壓潰變形，本用于定位的臺(tái)階承受了較大拉力而發(fā)生變形。固定銷(xiāo)和銷(xiāo)孔變形后，鏈條固定耳上下面與固定桿開(kāi)槽接觸，發(fā)生擠壓潰變；鏈條連接孔受力較大，發(fā)生撕裂。

由以上分析可知，鏈條固定桿剛度不足、銷(xiāo)軸和固定耳強(qiáng)度不足是原結(jié)構(gòu)的主要缺陷，克服這些缺陷是后續(xù)改型設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

2 備選方案結(jié)構(gòu)比較

針對(duì)原裝置的破壞情況，提出了幾種備選方案，如圖2所示。本文先對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并同時(shí)分析這些結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，指出后續(xù)強(qiáng)度分析需要重點(diǎn)關(guān)注的點(diǎn)。

圖2 備選機(jī)構(gòu)

2.1 環(huán)槽雙銷(xiāo)軸形式

環(huán)槽雙銷(xiāo)軸方案如圖2（a）所示，固定桿開(kāi)口方式與原方案基本相同，固定銷(xiāo)穿過(guò)固定耳、固定桿，固定銷(xiāo)中部開(kāi)環(huán)槽，插入兩個(gè)小銷(xiāo)軸約束固定銷(xiāo)軸向竄動(dòng)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：固定桿雖然開(kāi)口方式與原方案同，但由于去掉了原結(jié)構(gòu)中的螺母結(jié)構(gòu)，讓出了空間，固定桿往后延出，本身剛度加強(qiáng)了；鏈條固定耳在鏈條固定孔處進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，同時(shí)將板厚加大；固定桿剛度提高后，銷(xiāo)子受力正常，強(qiáng)度有保證。銷(xiāo)子采用開(kāi)環(huán)槽加銷(xiāo)子的固定方式，一旦固定桿變形，固定處必然出現(xiàn)較大的軸向載荷，這種固定方式未必可靠。

2.2 U 型卡形式

U 形卡方案如圖2（b）所示，此方案與環(huán)槽雙銷(xiāo)軸形式主要區(qū)別之處在銷(xiāo)軸的固定方式上，銷(xiāo)軸尾部開(kāi)槽，用U 形卡擋住銷(xiāo)軸防止其竄動(dòng)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：針對(duì)性地解決前一方案地銷(xiāo)軸固定問(wèn)題，U 形卡固定方式更可靠，在固定桿發(fā)生變形后仍能可靠限位。

2.3 壓塊形式

壓塊形式方案如圖2（c）所示，固定桿上開(kāi)深長(zhǎng)槽，固定耳做成凸圓形，壓塊上開(kāi)內(nèi)圓弧槽用于支撐固定耳，壓塊與固定桿之間靠螺釘聯(lián)結(jié)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：用凸圓和內(nèi)圓弧形式代替銷(xiāo)軸，連接強(qiáng)度增大；固定桿開(kāi)槽方向改變，開(kāi)槽更大、更深，對(duì)其強(qiáng)度和剛度影響較大。所幸的是采用壓塊對(duì)其進(jìn)行了加強(qiáng)，鏈條的拉力載荷由壓塊傳給固定桿止口，彎矩有使壓塊與固定桿分離的趨勢(shì)，此力由固定螺釘承受，止口與螺釘?shù)氖芰θ菀妆ＷC。

3 強(qiáng)度比較

上述各方案結(jié)構(gòu)都存在一些剛度、強(qiáng)度可能不足的地方，需要進(jìn)行計(jì)算分析進(jìn)行驗(yàn)證。本文采用目前較通用的有限元軟件Workbench 對(duì)各備選方案模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，主要看各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、變形等。

3.1 分析方法

各結(jié)構(gòu)的幾何模型及載荷左右對(duì)稱(chēng)，為減小計(jì)算量，采用對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)去掉對(duì)結(jié)果影響不大的小孔、倒角等小特征。

邊界條件：懸掛桿下端固定，上端放開(kāi)豎直方向自由度，鏈條安裝孔處施加工作載荷。為了更好的模擬實(shí)際工況，在壓塊結(jié)構(gòu)中給螺栓加了預(yù)緊力。

3.2 分析結(jié)果

（1）環(huán)槽雙銷(xiāo)軸形式。環(huán)槽雙銷(xiāo)軸形式計(jì)算結(jié)果如圖3所示，固定耳去除應(yīng)力集中點(diǎn)最大應(yīng)力，銷(xiāo)軸環(huán)槽內(nèi)應(yīng)力達(dá)1500MPa；懸掛桿去除應(yīng)力集中點(diǎn)最大應(yīng)力，環(huán)槽內(nèi)部應(yīng)力為701MPa，均已超過(guò)材料許用應(yīng)力。

（2）U 形卡形式。U 形卡形式計(jì)算結(jié)果如圖4所示，固定耳銷(xiāo)軸端部溝槽內(nèi)最大應(yīng)力1154MPa，固定桿安裝孔頂部受壓，最大應(yīng)力達(dá)1678Mpa，均已超過(guò)材料許用應(yīng)力。

圖3 環(huán)槽雙銷(xiāo)軸分析結(jié)果

圖4 U形卡形式分析結(jié)果

圖5 壓塊形式分析結(jié)果

（3）壓塊形式。壓塊形式計(jì)算結(jié)果如圖5所示，固定桿最大應(yīng)力為517MPa，固定耳最大應(yīng)力為513MPa，均沒(méi)有超過(guò)最大許用應(yīng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

由上述分析結(jié)果可知，所有結(jié)構(gòu)中只有壓塊形式能夠滿足強(qiáng)度要求，采用壓塊形式作為最終設(shè)計(jì)方案。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，固定桿不再出現(xiàn)彎曲變形，壓塊與固定桿間固定良好，固定耳再也沒(méi)有發(fā)生破壞，使用效果良好。

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