礦用錨桿鉆車雙四連桿機構的設計

□ 任 軍 □ 王俊杰

1.江蘇中貴重工有限公司 江蘇鹽城 224011 2.長安大學 工程機械學院 西安 710064

1 雙四連桿機構概述

錨桿鉆車是煤礦掘錨工況中的主要裝備。現有的錨桿鉆車在超高、超寬斷面打錨桿時,設備體積大,移動不靈活,移動設備時需要預先拆除部分零部件,將設備分散運送到井下,且對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構對上述問題有良好的解決效果。雙四連桿機構由機架、連架桿、連桿三部分組成。機架與履帶式底盤用螺栓連接,用于固定雙四連桿機構。連架桿是機架和連桿的過渡機構,向連桿提供支撐,保證穩定性。雙四連桿機構的主要作用是保證升降平臺進行豎直向上的運動,實現平臺的高度變化[1-2]。雙四連桿機構完全伸長時,需要能夠承受很大的力矩,即在復雜的受力工況時,雙四連桿機構使升降平臺保持良好的剛度和強度。雙四連桿機構運動較為頻繁,連接處采用銷軸連接。銷軸連接處的摩擦力及徑向力較大,磨損較為嚴重,必須在連接處以銅套內襯連接,以提高銷軸和連桿的耐磨性。升降平臺的調節高度為0～800 mm,作業時在負載的作用下升降平臺應能保持穩定。

2 設計方案

雙四連桿機構的作用是連接履帶式底盤和升降平臺,設計時不僅要考慮功能的實現,而且要考慮強度和剛度的要求。

雙四連桿機構的設計方案如圖1所示[3]。使用兩個液壓缸向升降平臺提供動力,兩個液壓缸同步升降時可以使升降平臺上下運動。合理操縱兩個液壓缸非同步升降,可以實現升降平臺前后方向的高低調節[4]。升降平臺具有多角度調節的功能,滿足打錨桿的定位需求。設計方案的缺點是雙四連桿機構的結構較為復雜,加工精度要求和裝配要求較高,優點是升降平臺的調節范圍、穩定性和準確性較為理想,對提升鉆孔質量有很好的效果。

▲圖1 雙四連桿機構

雙四連桿機構中,機架如圖2所示。機架采用雙層三角形結構,保證強度和剛度。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。整個雙四連桿機構可以實現完全收縮、完全伸展,以及介于完全收縮和完全伸展之間的任意伸展狀態[5]。

▲圖2 機架 ▲圖3 連架桿1▲圖4 連架桿2 ▲圖5 連桿

液壓缸通過銷軸連接在履帶式底盤上,活塞桿通過銷軸連接在升降平臺上,液壓缸的兩端可以通過銷軸自由轉動。通過連桿、連架桿、液壓缸,可以實現升降平臺的高度、角度雙重調節。考慮到打錨桿工況存在較大的傾覆力矩或力偶,雙四連桿機構各零件的材質需要滿足強度和剛度要求。由于雙四連桿機構在底盤上的空間限制,因此必須合理地計算連桿的長度,使整機結構盡可能緊湊。根據升降平臺的最大高度,初步確定連桿、連架桿和液壓缸的最大高度。雙四連桿機構的整體寬度由履帶式底盤空間尺寸確定。考慮整車質量的限制,還要適當進行輕量化設計,以減輕雙四連桿機構的質量。

3 桿長計算

雙四連桿機構各連桿的長度關系到升降平臺的平穩性,因此對連桿桿長進行計算。

▲圖6 雙四連桿機構參數

對于初始狀態,由勾股定理可得:

(1)

對于最終狀態,由余弦定理可得:

(2)

4 有限元分析

在Creo軟件中對雙四連桿機構進行建模,用于有限元分析,如圖7所示[6-7]。有限元分析的對象是雙四連桿機構裝配體,由于履帶式底盤和升降平臺結構較為復雜,并且零部件較多,因此需要對模型進行簡化和等效處理[8]。

▲圖7 雙四連桿機構模型

銷軸的尺寸相對較小,為非規則結構,不易劃分出高質量網格,并且對接觸的設置也有較大影響。為便于計算,將銷軸簡化為圓柱體。

對于履帶式底盤和機架之間的連接,原結構中使用螺栓連接。由于螺栓數量較多,接觸種類較為復雜。并且不是分析研究的主要對象,因此將履帶式底盤和機架合并為一個零部件,省去兩者之間接觸種類和數量的設置。

由于液壓缸起升降和調節角度的作用,只受到軸向方向的力,并不承受側向力,因此在特定的工作狀態下,可以將液壓缸的活塞桿和缸體視為一個零部件,即連桿。

所有零件的工藝性圓角、裝飾性圓角均忽略,并忽略焊接對結構的影響。非主要受力部位的孔和槽結構也忽略不計。

簡化后雙四連桿機構模型如圖8所示。

▲圖8 簡化后雙四連桿機構模型

將模型導入Workbench軟件,選擇靜力學模塊進行靜力學分析[9-10]。

網格劃分運用體網格尺寸控制、面網格尺寸控制、邊界尺寸控制等方法。得到網格數為60 660,節點數為122 146,平均網格質量為0.788 84,滿足靜力學有限元分析對模型網格質量的要求。網格劃分結果如圖9所示。

▲圖9 雙四連桿機構模型網格劃分

根據各零件之間的運動關系,確定液壓缸與履帶式底盤、升降平臺之間,機架與連架桿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之間使用銷軸連接,其它部位使用綁定接觸。接觸設置結果如圖10所示。

▲圖10 接觸設置結果

升降平臺有多種受力工況。受力較差工況1如圖11所示,平臺一側同時受兩個力。受力較差工況2如圖12所示,平臺兩側兩個力為對角關系。在履帶式底盤上施加約束和重力。升降平臺結構較為復雜,選擇遠端載荷,載荷為20 000 N,不受機構本身限制。添加載荷和約束后進行求解。雙四連桿機構工況1的總變形云圖如圖13所示,最大變形量為7.8 mm。雙四連桿機構工況1的等效應力云圖如圖14所示,最大等效應力出現在液壓缸與升降平臺連接銷軸處,最大等效應力值為246 MPa。雙四連桿機構材料選用Q345鋼,屈服強度為345 MPa,取安全因數為1.3,則許用應力為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

靜力學分析結果中,工況1的最大等效應力值為246 MPa,小于材料的許用應力;最大變形量為7.8 mm,與零部件尺寸相比可忽略。可見,雙四連桿機構在工況1下強度和剛度滿足要求。

雙四連桿機構工況2的總變形云圖如圖15所示。總變形云圖對稱,升降平臺和連桿的連接銷軸處變形最大,最大值為1.8 mm。雙四連桿機構工況2的等效應力云圖如圖16所示。工況2受一對力偶作用,機架和連架桿1的連接銷軸受力最大處,最大等效應力值為224 MPa,小于材料的許用應力。可見,工況1和工況2的變形與受力符合設計要求。

5 線性度分析

利用ADAMS軟件對升降平臺的軌跡進行跟蹤,并對整個過程的線性度進行分析計算。在ADAMS軟件中,根據要求設置雙四連桿機構的運動副和驅動力。當液壓缸直線上升800 mm行程時,可獲得L4桿端點從圖6中B點運動到C點的軌跡,如圖17所示。同時得到B點在X軸方向上相對于不動點A點的位移,如圖18所示。由此可以得到L4桿端點運動軌跡的偏移量Δx。

▲圖17 L4桿端點運動軌跡▲圖18 B點相對于A點位移

線性度εr為:

εr=Δx/H×100%=2.63%

全行程運動過程中,B點的移位相比整個雙四連桿機構不算大,在0～30 s 內,位移從0一直增大到21.046 mm,近似呈直線。在30～40 s內,位移在短時間內減小到最小值,為-4.623 mm。由于連桿長度取舍誤差,B點先在A點左側運動,再在A點右側運動。

根據上述分析,適當設計連桿的長度,使位移由一個方向均分為兩個方向,這樣可以得到更好的線性度,滿足實際工況要求[11]。

6 結束語

筆者設計了一種礦用錨桿鉆車雙四連桿機構,對雙四連桿機構中連桿的桿長進行了計算,并建立了雙四連桿機構模型,進行有限元分析,同時進行了線性度計算與分析。結果表明,礦用錨桿鉆車雙四連桿機構的強度滿足要求,變形在可接受范圍內,設計方案可行,具有一定的工程實用價值。