礦用錨桿鉆車雙四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

□ 任 軍 □ 王俊杰

1.江蘇中貴重工有限公司 江蘇鹽城 224011 2.長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院 西安 710064

1 雙四連桿機(jī)構(gòu)概述

錨桿鉆車是煤礦掘錨工況中的主要裝備?，F(xiàn)有的錨桿鉆車在超高、超寬斷面打錨桿時(shí),設(shè)備體積大,移動(dòng)不靈活,移動(dòng)設(shè)備時(shí)需要預(yù)先拆除部分零部件,將設(shè)備分散運(yùn)送到井下,且對(duì)高度靠近上斷面的定位孔不能有效鉆孔。

錨桿鉆車雙四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)上述問(wèn)題有良好的解決效果。雙四連桿機(jī)構(gòu)由機(jī)架、連架桿、連桿三部分組成。機(jī)架與履帶式底盤用螺栓連接,用于固定雙四連桿機(jī)構(gòu)。連架桿是機(jī)架和連桿的過(guò)渡機(jī)構(gòu),向連桿提供支撐,保證穩(wěn)定性。雙四連桿機(jī)構(gòu)的主要作用是保證升降平臺(tái)進(jìn)行豎直向上的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的高度變化[1-2]。雙四連桿機(jī)構(gòu)完全伸長(zhǎng)時(shí),需要能夠承受很大的力矩,即在復(fù)雜的受力工況時(shí),雙四連桿機(jī)構(gòu)使升降平臺(tái)保持良好的剛度和強(qiáng)度。雙四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)較為頻繁,連接處采用銷軸連接。銷軸連接處的摩擦力及徑向力較大,磨損較為嚴(yán)重,必須在連接處以銅套內(nèi)襯連接,以提高銷軸和連桿的耐磨性。升降平臺(tái)的調(diào)節(jié)高度為0～800 mm,作業(yè)時(shí)在負(fù)載的作用下升降平臺(tái)應(yīng)能保持穩(wěn)定。

2 設(shè)計(jì)方案

雙四連桿機(jī)構(gòu)的作用是連接履帶式底盤和升降平臺(tái),設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮功能的實(shí)現(xiàn),而且要考慮強(qiáng)度和剛度的要求。

雙四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示[3]。使用兩個(gè)液壓缸向升降平臺(tái)提供動(dòng)力,兩個(gè)液壓缸同步升降時(shí)可以使升降平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)。合理操縱兩個(gè)液壓缸非同步升降,可以實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)前后方向的高低調(diào)節(jié)[4]。升降平臺(tái)具有多角度調(diào)節(jié)的功能,滿足打錨桿的定位需求。設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)是雙四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,加工精度要求和裝配要求較高,優(yōu)點(diǎn)是升降平臺(tái)的調(diào)節(jié)范圍、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較為理想,對(duì)提升鉆孔質(zhì)量有很好的效果。

▲圖1 雙四連桿機(jī)構(gòu)

雙四連桿機(jī)構(gòu)中,機(jī)架如圖2所示。機(jī)架采用雙層三角形結(jié)構(gòu),保證強(qiáng)度和剛度。連架桿1和連架桿2分別如圖3、圖4所示,連桿如圖5所示。整個(gè)雙四連桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)完全收縮、完全伸展,以及介于完全收縮和完全伸展之間的任意伸展?fàn)顟B(tài)[5]。

▲圖2 機(jī)架 ▲圖3 連架桿1▲圖4 連架桿2 ▲圖5 連桿

液壓缸通過(guò)銷軸連接在履帶式底盤上,活塞桿通過(guò)銷軸連接在升降平臺(tái)上,液壓缸的兩端可以通過(guò)銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)連桿、連架桿、液壓缸,可以實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)的高度、角度雙重調(diào)節(jié)。考慮到打錨桿工況存在較大的傾覆力矩或力偶,雙四連桿機(jī)構(gòu)各零件的材質(zhì)需要滿足強(qiáng)度和剛度要求。由于雙四連桿機(jī)構(gòu)在底盤上的空間限制,因此必須合理地計(jì)算連桿的長(zhǎng)度,使整機(jī)結(jié)構(gòu)盡可能緊湊。根據(jù)升降平臺(tái)的最大高度,初步確定連桿、連架桿和液壓缸的最大高度。雙四連桿機(jī)構(gòu)的整體寬度由履帶式底盤空間尺寸確定。考慮整車質(zhì)量的限制,還要適當(dāng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),以減輕雙四連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量。

3 桿長(zhǎng)計(jì)算

雙四連桿機(jī)構(gòu)各連桿的長(zhǎng)度關(guān)系到升降平臺(tái)的平穩(wěn)性,因此對(duì)連桿桿長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。

▲圖6 雙四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)

對(duì)于初始狀態(tài),由勾股定理可得:

(1)

對(duì)于最終狀態(tài),由余弦定理可得:

(2)

4 有限元分析

在Creo軟件中對(duì)雙四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模,用于有限元分析,如圖7所示[6-7]。有限元分析的對(duì)象是雙四連桿機(jī)構(gòu)裝配體,由于履帶式底盤和升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,并且零部件較多,因此需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和等效處理[8]。

▲圖7 雙四連桿機(jī)構(gòu)模型

銷軸的尺寸相對(duì)較小,為非規(guī)則結(jié)構(gòu),不易劃分出高質(zhì)量網(wǎng)格,并且對(duì)接觸的設(shè)置也有較大影響。為便于計(jì)算,將銷軸簡(jiǎn)化為圓柱體。

對(duì)于履帶式底盤和機(jī)架之間的連接,原結(jié)構(gòu)中使用螺栓連接。由于螺栓數(shù)量較多,接觸種類較為復(fù)雜。并且不是分析研究的主要對(duì)象,因此將履帶式底盤和機(jī)架合并為一個(gè)零部件,省去兩者之間接觸種類和數(shù)量的設(shè)置。

由于液壓缸起升降和調(diào)節(jié)角度的作用,只受到軸向方向的力,并不承受側(cè)向力,因此在特定的工作狀態(tài)下,可以將液壓缸的活塞桿和缸體視為一個(gè)零部件,即連桿。

所有零件的工藝性圓角、裝飾性圓角均忽略,并忽略焊接對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。非主要受力部位的孔和槽結(jié)構(gòu)也忽略不計(jì)。

簡(jiǎn)化后雙四連桿機(jī)構(gòu)模型如圖8所示。

▲圖8 簡(jiǎn)化后雙四連桿機(jī)構(gòu)模型

將模型導(dǎo)入Workbench軟件,選擇靜力學(xué)模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析[9-10]。

網(wǎng)格劃分運(yùn)用體網(wǎng)格尺寸控制、面網(wǎng)格尺寸控制、邊界尺寸控制等方法。得到網(wǎng)格數(shù)為60 660,節(jié)點(diǎn)數(shù)為122 146,平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.788 84,滿足靜力學(xué)有限元分析對(duì)模型網(wǎng)格質(zhì)量的要求。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖9所示。

▲圖9 雙四連桿機(jī)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)各零件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,確定液壓缸與履帶式底盤、升降平臺(tái)之間,機(jī)架與連架桿1、連架桿2之間,連架桿1、連架桿2與連桿之間,以及連桿與升降平臺(tái)之間使用銷軸連接,其它部位使用綁定接觸。接觸設(shè)置結(jié)果如圖10所示。

▲圖10 接觸設(shè)置結(jié)果

升降平臺(tái)有多種受力工況。受力較差工況1如圖11所示,平臺(tái)一側(cè)同時(shí)受兩個(gè)力。受力較差工況2如圖12所示,平臺(tái)兩側(cè)兩個(gè)力為對(duì)角關(guān)系。在履帶式底盤上施加約束和重力。升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,選擇遠(yuǎn)端載荷,載荷為20 000 N,不受機(jī)構(gòu)本身限制。添加載荷和約束后進(jìn)行求解。雙四連桿機(jī)構(gòu)工況1的總變形云圖如圖13所示,最大變形量為7.8 mm。雙四連桿機(jī)構(gòu)工況1的等效應(yīng)力云圖如圖14所示,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在液壓缸與升降平臺(tái)連接銷軸處,最大等效應(yīng)力值為246 MPa。雙四連桿機(jī)構(gòu)材料選用Q345鋼,屈服強(qiáng)度為345 MPa,取安全因數(shù)為1.3,則許用應(yīng)力為265 MPa。

▲圖11 受力較差工況1▲圖12 受力較差工況2▲圖13 工況1總變形云圖

靜力學(xué)分析結(jié)果中,工況1的最大等效應(yīng)力值為246 MPa,小于材料的許用應(yīng)力;最大變形量為7.8 mm,與零部件尺寸相比可忽略。可見(jiàn),雙四連桿機(jī)構(gòu)在工況1下強(qiáng)度和剛度滿足要求。

雙四連桿機(jī)構(gòu)工況2的總變形云圖如圖15所示。總變形云圖對(duì)稱,升降平臺(tái)和連桿的連接銷軸處變形最大,最大值為1.8 mm。雙四連桿機(jī)構(gòu)工況2的等效應(yīng)力云圖如圖16所示。工況2受一對(duì)力偶作用,機(jī)架和連架桿1的連接銷軸受力最大處,最大等效應(yīng)力值為224 MPa,小于材料的許用應(yīng)力?？梢?jiàn),工況1和工況2的變形與受力符合設(shè)計(jì)要求。

5 線性度分析

利用ADAMS軟件對(duì)升降平臺(tái)的軌跡進(jìn)行跟蹤,并對(duì)整個(gè)過(guò)程的線性度進(jìn)行分析計(jì)算。在ADAMS軟件中,根據(jù)要求設(shè)置雙四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)液壓缸直線上升800 mm行程時(shí),可獲得L4桿端點(diǎn)從圖6中B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)的軌跡,如圖17所示。同時(shí)得到B點(diǎn)在X軸方向上相對(duì)于不動(dòng)點(diǎn)A點(diǎn)的位移,如圖18所示。由此可以得到L4桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的偏移量Δx。

▲圖17 L4桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡▲圖18 B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)位移

線性度εr為:

εr=Δx/H×100%=2.63%

全行程運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,B點(diǎn)的移位相比整個(gè)雙四連桿機(jī)構(gòu)不算大,在0～30 s 內(nèi),位移從0一直增大到21.046 mm,近似呈直線。在30～40 s內(nèi),位移在短時(shí)間內(nèi)減小到最小值,為-4.623 mm。由于連桿長(zhǎng)度取舍誤差,B點(diǎn)先在A點(diǎn)左側(cè)運(yùn)動(dòng),再在A點(diǎn)右側(cè)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)上述分析,適當(dāng)設(shè)計(jì)連桿的長(zhǎng)度,使位移由一個(gè)方向均分為兩個(gè)方向,這樣可以得到更好的線性度,滿足實(shí)際工況要求[11]。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種礦用錨桿鉆車雙四連桿機(jī)構(gòu),對(duì)雙四連桿機(jī)構(gòu)中連桿的桿長(zhǎng)進(jìn)行了計(jì)算,并建立了雙四連桿機(jī)構(gòu)模型,進(jìn)行有限元分析,同時(shí)進(jìn)行了線性度計(jì)算與分析。結(jié)果表明,礦用錨桿鉆車雙四連桿機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求,變形在可接受范圍內(nèi),設(shè)計(jì)方案可行,具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。