基于Workbench的礦用液壓支架銷軸振動特性分析

解宏偉

（霍州煤電集團紫晟煤業有限責任公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

目前，國家對煤礦開采過程中的安全問題相當重視，礦用液壓支架作為井下作業中的重要支護裝置，其設備的正常運行對井下作業至關重要。其中，銷軸作為液壓支架中的關鍵部件之一，其性能的好壞直接決定著液壓支架的運行情況。液壓支架銷軸在工作中使用頻繁、受力復雜，尤其是銷軸材料較差時，經常出現損壞或者變形，需要經常維修更換，嚴重影響了煤礦的正常生產。在銷軸設計過程中，需對其進行動力學分析，而模態分析是瞬態分析、諧響應分析、譜分析等動力特性分析的基礎，因此有必要對銷軸進行模態分析。

結合液壓支架銷軸結構特點分析，建立了銷軸的仿真模型，開展了銷軸模態分析，得到了銷軸在軸向和徑向兩種約束條件下的固有頻率和模態振型，并在結構、材料和工藝以及連接方式三個方面提出了提高銷軸可靠性的措施。該研究為銷軸的動力學分析提供了理論基礎，同時對于提高銷軸的結構性能，保證煤礦安全可靠開采具有重要意義。

1 液壓支架銷軸結構特點

液壓支架掩護梁是支撐掩護式液壓支架很重要的組成部分之一，掩護梁通過銷軸與其他關鍵部件進行鉸接。由于銷軸在實際使用過程中，會隨工作環境、外界載荷、材料屬性、結構制造工藝等諸多因素的變化而發生變化，同時銷軸工作過程中受力較為復雜，承受的是動載荷，當其載荷超過材料的極限時，銷軸經常出現損壞或者變形，如圖1所示。

圖1 液壓支架銷軸失效圖

液壓支架的銷軸為連接件，與頂梁、掩護梁和前、后連桿相連，銷軸一旦發生共振，對其連接的構件造成很大影響，產生異常噪音甚至破壞構件。因此，為保證所設計的銷軸能滿足液壓支架的實際使用需求，有必要對銷軸進行模態分析。

2 液壓支架銷軸模型建立

2.1 三維模型建立

結合液壓支架銷軸的實際結構尺寸，采用Solidworks軟件，建立了銷軸的三維模型；為了方便對銷軸進行網格劃分，以及提高模態分析計算結果的準確度，對銷軸上的倒角、圓角、圓孔等結構特征進行了簡化，僅保留其結構上關鍵特征。由此，建立了簡化后的銷軸三維模型，如圖2所示。

圖2 液壓支架銷軸三維模型圖

2.2 仿真模型建立

定義銷軸材料屬性時，根據液壓支架中銷軸的使用情況及故障問題，選用性能更加優質的35CrMo材料，對降低銷軸的故障概率至關重要，35CrMo材料的主要性能參數如表1所示。

表1 銷軸35CrMo材料的主要屬性參數

由于模型分析過程中，需對其進行網格劃分，考慮到六面體單元比四面體單元具有更高的分析精度，且銷軸基本為實體結構。因此，在液壓支架網格劃分時，采用了ANSYSWorkbench軟件，選用了實體單元型六面體網格，其網格大小確定為2mm，如圖3所示。

約束條件的設置對于模態分析來說至關重要，不同的約束條件下，模態分析的結果相差甚大。根據銷軸的實際工況，完成了兩種約束條件下的模態分析，一種是軸向約束，一種是徑向約束。

3 液壓支架銷軸振動模態分析

模態分析的目的是得出其各階固有頻率值和模態振型，然后與工作頻率或者環境激勵頻率相比較，避免共振。而模態振型是在各階固有頻率的激勵下，系統的變形情況，從而根據模態振型可以判斷出系統或者結構的薄弱環節，為系統或者結構設計提供參考和指導。

3.1 銷軸在軸向約束條件下模態分析

理論上來說，固有頻率有n階，并且數值是從小到大順序排列的，階次越高固有頻率值也越大。而系統的工作頻率或者環境激勵頻率一般情況下都比較低，因此通常情況下，只需要研究低階的固有頻率即可滿足要求。通過模態分析，提取液壓支架銷軸前6階的固有頻率，各階固有頻率值如表2所示。從表中可以看出，銷軸的前6階的固有頻率值都相對來說較高，第1階固有頻率值為292.3Hz，而系統的工作頻率較低，兩者相隔甚遠，銷軸發生共振的概率較低。同時還發現第1階和第2階以及第4階和第5階固有頻率值都非常接近。

表2 銷軸軸向約束條件下1～6階固有頻率值

提取銷軸的前6階的模態振型如圖4所示。第1階和第2階發生平面內的振動，第3階為扭轉振動，第4階為上下振動，第5階和第6階為中部的彎曲振動。第1階和第2階以及第5階和第6階的模態振型類似，與固有頻率值接近對應。這是由于銷軸存在兩個對稱方向的自由度，因此產生了前后兩階相似的模態振型，并且其固有頻率值也非常接近。

圖4 銷軸軸向約束條件下1～6階模態振型圖

3.2 銷軸在徑向約束條件下模態分析

提取銷軸在徑向約束條件下的固有頻率和模態振型，如表3和圖5所示。可以看出，銷軸在徑向約束條件下，各階固有頻率值要高得多，顯然剛度也更大。

表3 銷軸徑向約束條件下1～6階固有頻率值

圖5 銷軸徑向約束條件下1～6階模態振型圖

對比銷軸在軸向和徑向兩種不同的約束方式下的模態分析結果，可以看出，不同約束條件下，銷軸的固有頻率和模態振型差異較大，因此約束方式是模態分析重要的決定因素，在模態分析前，必須準確分析和設置銷軸的約束方式。

4 提高銷軸可靠性措施

銷軸在使用過程中時常會出現不同程度的變形、磨損或斷裂等故障現象，為了提高銷軸的可靠性，可以從以下幾方面進行考慮。

1）結構方面。一方面，可以適當增加銷軸軸肩的厚度，以及軸肩的直徑，并且在軸肩過渡處設置較大幅度的圓角；另一方面，可對銷軸軸肩端主要加載結構進行改進，減小對銷軸的載荷作用。

2）材料和工藝。實際使用中的銷軸材料常常為Q345，強度和韌性較低，可以選用40Cr或者35CrMo兩種材料。由于液壓支架銷軸使用工況的限制，銷軸只能進行調質提高韌性。銷軸損壞后，盡量跟換新件，焊接和改制后繼續使用再次出現失效的概率大大增加。

3）連接方式。可以嘗試選用快換式銷軸，這種銷軸去除了軸肩，增加了擋塊來固定銷軸，這種結構簡單、制作方便，安裝和維修快捷。

5 結 論

銷軸在使用過程中時常會出現不同程度的變形、磨損或斷裂等故障現象，結合液壓支架銷軸結構特點分析，開展了銷軸模態分析，得到了銷軸在軸向和徑向兩種約束條件下的固有頻率和模態振型，并在結構、材料和工藝以及連接方式三個方面提出了提高銷軸可靠性的措施。該研究為銷軸的動力學分析提供了理論基礎，同時對于提高銷軸的結構性能，保證煤礦安全可靠開采具有重要意義。