鏈條固定裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 靜

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

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

1 原設(shè)計的結(jié)構(gòu)缺陷

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

為了在有限長的空間內(nèi)實現(xiàn)盡可能大的進給行程，本鉆機采用動滑輪機構(gòu)用于加倍行程。如圖1所示，鏈條一端固定，繞過滾輪后另一端連接鉆箱，進給油缸推動滾輪運動，鉆箱實現(xiàn)行程倍增。

由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小、受力狀況嚴酷，加之時間倉促，結(jié)構(gòu)設(shè)計不是很合理，在使用早期鏈條固定裝置就出現(xiàn)了損壞，針對這種情況，進行了改型設(shè)計。

經(jīng)過項目前期方案論證，決定采用對稱結(jié)構(gòu)的推進機構(gòu)，推進油缸居中布置，兩側(cè)采用兩套動滑輪倍增機構(gòu)。如圖1（a）所示，兩根鏈條一起驅(qū)動鉆箱上升，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 原進給機構(gòu)

實際設(shè)計的進給機構(gòu)如圖1（b）所示，兩根鏈子都固定在鏈條固定耳上，鏈條固定耳通過固定銷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旋轉(zhuǎn)，兩根鏈條可自動達到均衡受力。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

如圖1（b）所示，鏈條固定桿為細長桿件，且挖去了一大半的材料，強度、剛度不足。該桿承受偏心載荷，現(xiàn)場發(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，本用于定位的臺階承受了較大拉力而發(fā)生變形。固定銷和銷孔變形后，鏈條固定耳上下面與固定桿開槽接觸，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、銷軸和固定耳強度不足是原結(jié)構(gòu)的主要缺陷，克服這些缺陷是后續(xù)改型設(shè)計需要重點考慮的內(nèi)容。

2 備選方案結(jié)構(gòu)比較

針對原裝置的破壞情況，提出了幾種備選方案，如圖2所示。本文先對這些結(jié)構(gòu)進行介紹，并同時分析這些結(jié)構(gòu)的主要特點，指出后續(xù)強度分析需要重點關(guān)注的點。

圖2 備選機構(gòu)

2.1 環(huán)槽雙銷軸形式

環(huán)槽雙銷軸方案如圖2（a）所示，固定桿開口方式與原方案基本相同，固定銷穿過固定耳、固定桿，固定銷中部開環(huán)槽，插入兩個小銷軸約束固定銷軸向竄動。結(jié)構(gòu)特點：固定桿雖然開口方式與原方案同，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，本身剛度加強了；鏈條固定耳在鏈條固定孔處進行適當(dāng)加強，同時將板厚加大；固定桿剛度提高后，銷子受力正常，強度有保證。銷子采用開環(huán)槽加銷子的固定方式，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)槽雙銷軸形式主要區(qū)別之處在銷軸的固定方式上，銷軸尾部開槽，用U 形卡擋住銷軸防止其竄動。結(jié)構(gòu)特點：針對性地解決前一方案地銷軸固定問題，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，固定桿上開深長槽，固定耳做成凸圓形，壓塊上開內(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：用凸圓和內(nèi)圓弧形式代替銷軸，連接強度增大；固定桿開槽方向改變，開槽更大、更深，對其強度和剛度影響較大。所幸的是采用壓塊對其進行了加強，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，此力由固定螺釘承受，止口與螺釘?shù)氖芰θ菀妆ＷC。

3 強度比較

上述各方案結(jié)構(gòu)都存在一些剛度、強度可能不足的地方，需要進行計算分析進行驗證。本文采用目前較通用的有限元軟件Workbench 對各備選方案模型進行結(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稱，為減小計算量，采用對稱模型進行計算。計算時去掉對結(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)槽雙銷軸形式。環(huán)槽雙銷軸形式計算結(jié)果如圖3所示，固定耳去除應(yīng)力集中點最大應(yīng)力，銷軸環(huán)槽內(nèi)應(yīng)力達1500MPa；懸掛桿去除應(yīng)力集中點最大應(yīng)力，環(huán)槽內(nèi)部應(yīng)力為701MPa，均已超過材料許用應(yīng)力。

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

圖3 環(huán)槽雙銷軸分析結(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，均沒有超過最大許用應(yīng)力。

4 結(jié)束語

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度要求，采用壓塊形式作為最終設(shè)計方案。

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

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