副斜井卡軌車壓軌連接件的使用性能研究

員淵源

（山西潞安集團潞寧煤業公司， 山西 忻州 036000）

引言

隨著國家對能源需求的逐漸增多，加大了對各區域煤礦的開采力度，卡軌車作為副斜井中的重要設備，在煤礦領域中得到了廣泛應用。保證其較好的結構性能，對提高煤礦的開采效率至關重要。壓軌連接件是卡軌車中的重要部件，由于井下環境惡劣，加上卡軌車經常處于長時間作業狀態，導致壓軌連接件在使用過程中經常出現中間軸變形、壓軌片變形及整體結構的疲勞失效等故障現象，其故障發生率相對較高，嚴重影響著卡軌車的正常作業。因此，有必要對壓軌連接件使用過程的結構性能開展研究分析。分析了卡軌車的結構特點，采用PROE 軟件和ANSYS 軟件，建立了壓軌連接件的仿真模型，從壓軌連接件的應力變化、應變變化等方向，開展了壓軌連接件使用過程中的結構性能研究，由此，對壓軌連接件提出了結構改進設計。該研究對提高壓軌連接件的結構性能和卡軌車的運行安全具有重要作用。

1 卡軌車結構組成分析

卡軌車是一種用于斜角小于30°的斜井運輸設備，能較為安全、可靠地對井下物料、設備及作業人員進行運輸，是井下作業過程中的不可或缺的設備，其結構主要由聯動機構、卡軌裝置、車體、輪軌、緩沖裝置等組成，其中壓軌連接件是卡軌裝置中的關鍵部件[1-3]。目前，斜井中的卡軌車功能均較為完善，其主要功能特點包括：

1）卡軌裝置的設計相對較為完善，可有效防止卡軌車運行過程中發生翻車、側翻等故障；

2）在卡軌車整體結構中，除設置有自動制動裝置外，還進行了手動制動方式設計，可針對鋼絲繩斷繩故障時進行雙重制動保護，有效防止了行車時誤操作現象；

3）卡軌裝置與制動裝置實現了雙重聯合制動，在實際制動過程中，具有制動平衡、操作靈活、制動效果優等特點；

4）制動裝置的制動摩擦片選用了耐磨損材料，在較大制動力作用下，不會產生火花，能較好地滿足井下特殊環境的使用需求。

2 壓軌連接件模型建立

2.1 三維模型建立

由于壓軌連接件是卡軌車中卡軌裝置上的重要部件，為進一步掌握其在使用過程中的結構性能，采用了PROE 軟件，建立了壓軌連接件的三維模型。同時，為使仿真結果與實際使用情況更加吻合，提高仿真精度和速度，對連接件上的過渡圓弧、螺紋連接孔等特征進行了特征省略簡化，僅保留了壓軌片、中間軸、連接孔等關鍵結構，由此，建立了壓軌連接件的三維模型，如圖1 所示。

圖1 壓軌連接件三維模型

2.2 仿真模型建立

根據建立的壓軌連接件結構，將其轉換為相應結構后導入ANSYS 軟件中，對其進行仿真模型的建立。壓軌連接件實際使用時的材料主要為Q345、45號鋼等，因此，在軟件中，將壓軌連接件的材料設置為45 號鋼，確定了其材料的主要性能參數，如表1所示。同時，采用四面體網格類型，對壓軌連接件進行了網格劃分，網格大小設置為10 mm。由于壓軌連接件在工作過程中，其壓軌片主要受到壓力作用，而壓力的計算公式為F=mg/8，其中，m 為卡軌車的重量 2 800 kg，g 為重力加速度，9.8 m/s2。通過計算，在壓軌片上施加了3.5 kN 的壓力，并對兩個連接孔進行了固定約束，在施加完重力后，完成了壓軌連接件的仿真模型建立。

表1 連接板45 號鋼材料主要性能參數

3 壓軌連接件使用性能研究

3.1 連接件應力變化分析

通過對壓軌連接件的仿真分析研究，得到了連接件的應力變化圖，如圖2 所示。由圖可知，連接件整體結構的應力出現了較為明顯的分布不均勻現象。其中，中間軸上的應力集中現象最為明顯，應力值最大，中間軸與壓軌片的連接處也出現較大應力值，而連接件上端的連接孔處也出現了一定的應力集中現象，但其值相對較低，而連接件的其他部位應力幾乎未發生變化。分析其原因為卡軌裝置在作業過程中，連接孔承受一定載荷后，將外部載荷通過中間軸傳遞至壓軌片上。鑒于壓軌連接件經常處于長時間的超負荷作業狀態，在使用過程中，中間軸部位成為整個結構的薄弱點，因此，在后期設計過程中，需對該件進行結構優化改進。

圖2 連接件應力變化圖

3.2 連接件應變變化分析

結合建立的壓軌連接件仿真模型，得到了連接件應變變化圖，如圖3 所示。由圖可知，連接件的整體結構發生了較為明顯的彎曲變形現象，其中，連接件的壓軌片左右兩側出現了較為明顯的結構變形，并向中間軸方向呈逐漸減小趨勢，而中間軸因受到壓軌片的變形影響，也出現了較為明顯的變形，在中間軸與壓軌片連接處的變形最為明顯，而連接片的其他部位則幾乎未發生結構變形。分析其原因為右側的支撐面與左側相比，相對較寬，導致在受到中間軸的載荷作用時，發生了向一側彎曲的變形情況。因此，在連接件長期使用過程中，極容易導致其發生結構變形或斷裂等故障現象，需對此變形量較大部位進行結構加強。

圖3 連接件應變圖

4 壓軌連接件結構改進

通過仿真分析可知，壓軌連接件的中間軸出現了較大應力集中現象，且底部的壓軌片及中間軸也發生了較大結構變形，在其實際使用過程中，極容易發生結構變形、開裂或斷裂等故障現象[4-6]。因此，需對此結構進行優化改進設計，具體措施如下：

1）在不影響壓軌連接件現場安裝情況下，將中間軸的結構尺寸增大4～5 mm，同時，增大中間軸與壓軌片的過渡圓弧尺寸，并在中間軸上應力較小的位置開設2 mm 小孔，以增大中間軸的結構強度，轉移其集中的應力；

2）增加壓軌片的結構厚度，并對壓軌片底部直角進行倒角加工，增大右端圓桿與壓軌片連接處的過渡圓弧值；

3）可在中間軸與壓軌片連接處、中間軸與頂部連接處焊接三塊加強板，并進行均勻分布；

4）對壓軌連接件采用材料性能更優的材料，并在部件加工結束后，對整體進行淬火處理，以提高部件的整體結構強度；

5）在壓軌連接件使用過程中，定時對其使用變形情況進行檢查，當發生較為明顯的結構變形或疲勞失效現象時，應停止設備的運行，并及時更換或校正，保證其結構能滿足卡軌車的使用需求。

5 結論

提高壓軌連接件的結構性能，已成為當下保證卡軌車正常運行的關鍵。因此，分析了卡軌車的結構特點，采用PROE 軟件和ANSYS 軟件，建立了壓軌連接件的仿真模型，從壓軌連接件的應力變化、應變變化等方向，開展了壓軌連接件使用過程中的結構性能研究，得出如下結論：

1）壓軌連接件的中間軸出現了較大的應力集中現象；

2）壓軌連接件的壓軌片及中間軸發生了較為明顯的結構變形；

3）此些結構變化問題將可能導致壓軌連接件在使用過程中發生結構變形及疲勞失效現象。

由此，對壓軌連接件提出了結構改進設計。該研究對提高壓軌連接件的結構性能和卡軌車的運行安全具有重要作用，也為后期開展壓軌連接件的結構改進設計提供了參考。