鏈條固定裝置的結構設計

王 靜

（中國煤炭科工集團太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

我院自行研發生產的錨桿鉆車配備了新設計的圓柱導向對稱結構的錨桿鉆機，本文討論的鏈條固定裝置是本鉆機進給機構的一部分。

1 原設計的結構缺陷

1.1 結構介紹

為了在有限長的空間內實現盡可能大的進給行程，本鉆機采用動滑輪機構用于加倍行程。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，鉆箱實現行程倍增。

由于結構復雜、空間狹小、受力狀況嚴酷，加之時間倉促，結構設計不是很合理，在使用早期鏈條固定裝置就出現了損壞，針對這種情況，進行了改型設計。

經過項目前期方案論證，決定采用對稱結構的推進機構，推進油缸居中布置，兩側采用兩套動滑輪倍增機構。如圖1（a）所示，兩根鏈條一起驅動鉆箱上升，鏈條一端固定，制造、組裝誤差導致兩條鏈條不同步，驅動力不均勻。鏈條受力不均容易導致一根鏈條先斷，另一根也將很快損壞。

圖1 原進給機構

實際設計的進給機構如圖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。如果出現兩根鏈子受力不均的情況，則鏈條固定耳繞鉸接點旋轉，兩根鏈條可自動達到均衡受力。

1.2 結構分析

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，現場發現此桿出現明顯的彎曲變形，固定孔被壓潰。鏈條固定銷承受偏心載荷而發生彎曲，由于固定桿上的孔發生壓潰變形，本用于定位的臺階承受了較大拉力而發生變形。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，發生擠壓潰變；鏈條連接孔受力較大，發生撕裂。

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構的主要缺陷，克服這些缺陷是后續改型設計需要重點考慮的內容。

2 備選方案結構比較

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

圖2 備選機構

2.1 環槽雙銷軸形式

環槽雙銷軸方案如圖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，固定銷中部開環槽，插入兩個小銷軸約束固定銷軸向竄動。結構特點：固定桿雖然開口方式與原方案同，但由于去掉了原結構中的螺母結構，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。銷子采用開環槽加銷子的固定方式，一旦固定桿變形，固定處必然出現較大的軸向載荷，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，此方案與環槽雙銷軸形式主要區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。結構特點：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，壓塊上開內圓弧槽用于支撐固定耳，壓塊與固定桿之間靠螺釘聯結。結構特點：用凸圓和內圓弧形式代替銷軸，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，止口與螺釘的受力容易保證。

3 強度比較

上述各方案結構都存在一些剛度、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構靜力學分析，主要看各結構的應力分布、變形等。

3.1 分析方法

各結構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，在壓塊結構中給螺栓加了預緊力。

3.2 分析結果

（1）環槽雙銷軸形式。環槽雙銷軸形式計算結果如圖3所示，固定耳去除應力集中點最大應力，銷軸環槽內應力達1500MPa；懸掛桿去除應力集中點最大應力，環槽內部應力為701MPa，均已超過材料許用應力。

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

圖3 環槽雙銷軸分析結果

圖4 U形卡形式分析結果

圖5 壓塊形式分析結果

（3）壓塊形式。壓塊形式計算結果如圖5所示，固定桿最大應力為517MPa，固定耳最大應力為513MPa，均沒有超過最大許用應力。

4 結束語

由上述分析結果可知，所有結構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計方案。

進行結構改進后，固定桿不再出現彎曲變形，壓塊與固定桿間固定良好，固定耳再也沒有發生破壞，使用效果良好。

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