礦用液壓支架底座前端折彎件搭接的優化分析

楊 玥,蘇紅娟

(山西平陽煤機裝備有限責任公司, 山西 侯馬 043100)

在礦用液壓支架設計過程中,不僅要防止井下采煤工作中支架進行拉架動作時發生底座啃底,同時還要保證推桿前端連接頭的擺動量,因此液壓支架底座前端的內主筋采用單折彎,底板采用雙折彎的設計較為常見[1]。但是,在實際生產過程中,對于此類設計,兩折彎件之間折彎處的搭接部分不僅存在下料時的板料冗余和現場焊接需要反復比對修割等問題,而且兩折彎板件之間的搭接量或焊接量無法保證,容易造成批產性質量整改問題,嚴重時甚至出現空隙,可導致液壓支架質量下降,使用壽命縮短。目前,對于兩折彎板件折彎處搭接部分的尺寸設計,業內設計單位的圖紙中也很難找出合理的設計方法[2-3],這種常見的底座前端設計一直存在著零件圖紙尺寸不精確、組焊件圖紙不詳甚至錯誤的圖紙問題,支架制造廠家也多以現場靈活處理為主要解決辦法。因此,兩折彎板件折彎處搭接部分的尺寸設計一直是許多液壓支架設計部門的難點。

1 現有技術分析

1.1 二維設計分析

圖1為某公司基于Auto CAD的設計出圖。圖1(a)為底板的正視圖與俯視展開圖,圖1(b)為內主筋的正視圖與俯視圖。此套支架底座產品采用內主筋單折彎,底板雙折彎的設計。由圖可知,其內主筋正向視圖外輪廓沿用了底板內輪廓尺寸。在實際生產過程中,假定生產加工的誤差為0,板件折彎后搭接勢必會產生較大的空隙,從而影響底座生產的一次焊接合格率。若按照圖1加工,工藝部門應該先制作內主筋下料時的放量,在折彎后點裝時,進行現場比對和干涉部位的割除才可完成生產。該方法不僅增加了生產工作量,同時延長了制造周期,產品批產時的質量還會受焊接工人的技術影響[4-6]。

圖1 二維設計圖紙示例Fig.1 Illustration of 2D design drawings

1.2 三維設計分析

某公司基于Solidworks的設計如圖2所示。圖2(a)為內主筋正視圖與俯視展開圖,圖2(b)為底座前端三維模型示意圖。由圖可見,內主筋建模結果為非鈑金件,實際無法加工成型。盡管此套支架底座產品折彎角度較小,在實際生產中滿足加工誤差要求,但是按照這種建模方法,當折彎角度變大時,同樣只能進行現場手動修割和焊料填補,不能解決根本的問題。

(a)內主筋正視圖與俯視展開圖

(b)底座前端三維模型示意圖圖2 三維設計圖紙示例Fig.2 Illustration of 3D design drawings

由上述分析可知,此類液壓支架底座前端的內主筋與底板均為折彎件的設計。無論是二維出圖還是三維建模,由于折彎板件的特殊性將限制其出圖的準確性和模擬的精確性。目前普遍多以現場對兩板折彎后進行比對、修割和焊料堆疊填補為主,尤其是給定圖紙尺寸取決于設計員的設計經驗,通常造成一定的放量,需要在現場點裝時手動割除。另外,若兩板之間搭接量(焊接量)無法保證,支架處的質量也參差不齊,也會給下料、折彎、鉚焊等工藝車間造成極大負擔。所以,需要對現有兩折彎板件折彎處搭接部分的尺寸設計進行改進。

2 改進方案

2.1 第一次改進

通過對此類設計以及圖紙現狀進行分析可知,造成上述現象的原因主要在于板件折彎后,兩折彎件搭接部分輪廓線不規則,難以通過設計軟件完全進行仿真模擬?？紤]到三維設計可以對板件的加工和搭接進行一定程度的仿真還原,并且可以進行可視化仿真試驗。在此基礎上,同時結合現有研究成果[7]確定本文改進方向主要集中在建模優化上。

2.1.1底板設計

關于底座底板的設計,如圖3所示。在驅動草圖正視平面中,以實線繪出底板折彎后的正視輪廓線,沿Z向拉伸出實體,再在俯視平面中以實線繪出底板折彎后的外輪廓線,以構造線繪制出折彎后的內輪廓線,沿Y向反向拉伸切除,得到一個非板料模型,再進行鈑金工藝,做出折彎的板料。

圖3 底板建模步驟圖Fig.3 Flow chart of floor modeling

2.1.2內主筋設計

關于底座內主筋的設計,如圖4所示。在驅動草圖俯視平面中,以實線繪出內主筋折彎后輪廓,沿Y向拉伸出實體。在正視平面中,以構造線繪出內主筋與底板切邊線輪廓,再以實線繪制內主筋折彎后的實際正視圖尺寸,沿Z向反向拉伸切除,得到一個非板料模型;最后進行鈑金工藝,做出折彎后的板料。

圖4 內主筋建模步驟圖Fig.4 Modeling procedure of internal main reinforcement

在內主筋建模過程中,圖4中尺寸a與尺寸b為試驗性給值,在建立三維設計的模型可視性基礎上,反復以1 mm為單位增加(減小)數值測試干涉與間隙,最終得出最佳尺寸。通過間隙驗證(圖5(a)、5(b)、5(c))發現,本示例設計產品存在兩處間隙,間隙量分別為0.01 mm與0.30 mm;通過干涉檢查(圖5(d))發現,本示例設計產品存在1處干涉,干涉量為5 mm3。存在的間隙量與干涉量均不影響實際生產,符合加工要求。

目前,此類新型三維建模方式與出圖已解決了某公司關于兩個折彎板件之間搭接出圖不精確的歷史性問題,使得圖紙的精確度大幅度提高,同時此設計方法簡單易學,有一定的應用價值。但是,這種建模方式也有明顯的缺點,如尺寸a與尺寸b(圖4)的不確定性,目前全部依賴于設計員的經驗與試驗,需要重復地修改、比對和校驗。因為尺寸沒有明確的可靠依據,不能形成標準設計方法,這樣耗時耗力,會影響產品設計的效率。另外,這種建模方式需要具有一定設計經驗的技術研發人員?；谝陨蠁栴},又對此進行了第二次改進優化。

(a)間隙驗證1

(b)間隙驗證2

(c)間隙驗證3

(d)干涉檢查2

2.2 第二次改進

基于以上建?；A,底板的建模方法合理且完善,需要提升內主筋建模的合理性并提高其效率,因此以內主筋的建模作為突破口,做出如下優化,見圖6。

圖6 內主筋建模優化步驟圖Fig.6 Optimization procedure of inner main reinforcement modeling

1)在驅動草圖俯視平面中,以實線繪出內主筋折彎后輪廓,沿Y向拉伸出實體。

2)在正視平面中以實線繪出內主筋非折彎區域輪廓,大腳處折彎部分暫不處理,沿Z向反向拉伸切除,得到一個非板料模型。

3)以正視平面繪制出底板內輪廓線段,并進行線條拉伸形成一個曲面。

4)以底板與內主筋的俯視搭接線為基準,建立垂直于地面的基準面。

5)將上述步驟中的曲面投影至該基準面上,形成底板與內主筋實際搭接線,沿該基準面垂直拉伸切除,并做相應圓角處理。

6)最后,進行鈑金工藝,做出折彎的板料。

針對此建模方式進行間隙驗證,如圖7(a)所示,由圖可知本示例設計產品沒有產生間隙。干涉檢查結果,如圖7(b)所示。本示例設計產品產生兩處干涉,干涉量分別為4 mm3和0.3 mm3，干涉量較小并不影響實際生產,符合加工生產要求。上述改進成功地解決了尺寸的繁瑣試驗,大大提高了建模效率,并成功應用于某公司生產的多型支架,大大降低了此類底座前端的現場修割率。

圖7 改進后間隙驗證與干涉檢查Fig.7 Clearance verification and interference checking after optimization

2.3 展平出圖

基于Solidworks對以上建模設計折彎件進行展平出圖,與改進前工程圖對比,改進后的出圖更加明確詳細,不僅反映了完成折彎后的板件狀態,同時完成了下料工作時的輪廓尺寸,滿足了所有的加工需求。

3 整體分析

本文建模設計方法的優化及仿真模擬實驗均基于Solidworks三維設計軟件,建模方法為Top-Down設計,主要針對液壓支架底座前端內主筋采用單折彎,且底板采用雙折彎的設計建模。據不完全統計,此類設計的支架約占井下實際使用支架種類的72%,生產過程中底座的現場整改率高達69%。按本文的設計方法建模出圖之后,整改率低于20%,有效地減少了液壓支架在生產過程中的開支,并減少了人力與時間成本,提高了生產效率。同時,此類設計一方面可進行標準化工作,用來規范設計員建模設計方法,增強模型的可修改性;另一方面,還可以為其他相似細節部分的設計提供參考,對以后的設計工作起一定的指導與借鑒作用。

4 結論

本文提供了一種關于液壓支架底座前端內主筋采用單折彎,底板采用雙折彎的建模設計方法,在保證圖紙整體尺寸正確的前提下,同時兼顧到細節處的尺寸,極大程度地提高了圖紙的準確性,改善了下料、折彎、鉚焊的諸多繁瑣工藝,大大減少了板料報廢率。通過干涉檢查與間隙驗證說明模型也更精準地還原了支架形態,使此處的受力分析情況更加符合實際產品情況。而且,經過實際生產與井下工作的檢驗,證實了其方案的可行性,這種方法在機械設計方面具有較大的應用價值,可真正為設計行業的標準化、通用化做出有效貢獻。