矿用锚杆钻车双四连杆机构的设计

2020-11-21王俊杰

机械制造 2020年11期

□ 任军 □ 王俊杰

1.江苏中贵重工有限公司江苏盐城 224011 2.长安大学工程机械学院西安 710064

1 双四连杆机构概述

锚杆钻车是煤矿掘锚工况中的主要装备。现有的锚杆钻车在超高、超宽断面打锚杆时,设备体积大,移动不灵活,移动设备时需要预先拆除部分零部件,将设备分散运送到井下,且对高度靠近上断面的定位孔不能有效钻孔。

锚杆钻车双四连杆机构对上述问题有良好的解决效果。双四连杆机构由机架、连架杆、连杆三部分组成。机架与履带式底盘用螺栓连接,用于固定双四连杆机构。连架杆是机架和连杆的过渡机构,向连杆提供支撑,保证稳定性。双四连杆机构的主要作用是保证升降平台进行竖直向上的运动,实现平台的高度变化[1-2]。双四连杆机构完全伸长时,需要能够承受很大的力矩,即在复杂的受力工况时,双四连杆机构使升降平台保持良好的刚度和强度。双四连杆机构运动较为频繁,连接处采用销轴连接。销轴连接处的摩擦力及径向力较大,磨损较为严重,必须在连接处以铜套内衬连接,以提高销轴和连杆的耐磨性。升降平台的调节高度为0～800 mm,作业时在负载的作用下升降平台应能保持稳定。

2 设计方案

双四连杆机构的作用是连接履带式底盘和升降平台,设计时不仅要考虑功能的实现,而且要考虑强度和刚度的要求。

双四连杆机构的设计方案如图1所示[3]。使用两个液压缸向升降平台提供动力,两个液压缸同步升降时可以使升降平台上下运动。合理操纵两个液压缸非同步升降,可以实现升降平台前后方向的高低调节[4]。升降平台具有多角度调节的功能,满足打锚杆的定位需求。设计方案的缺点是双四连杆机构的结构较为复杂,加工精度要求和装配要求较高,优点是升降平台的调节范围、稳定性和准确性较为理想,对提升钻孔质量有很好的效果。

▲图1 双四连杆机构

双四连杆机构中,机架如图2所示。机架采用双层三角形结构,保证强度和刚度。连架杆1和连架杆2分别如图3、图4所示,连杆如图5所示。整个双四连杆机构可以实现完全收缩、完全伸展,以及介于完全收缩和完全伸展之间的任意伸展状态[5]。

▲图2 机架 ▲图3 连架杆1▲图4 连架杆2 ▲图5 连杆

液压缸通过销轴连接在履带式底盘上,活塞杆通过销轴连接在升降平台上,液压缸的两端可以通过销轴自由转动。通过连杆、连架杆、液压缸,可以实现升降平台的高度、角度双重调节。考虑到打锚杆工况存在较大的倾覆力矩或力偶,双四连杆机构各零件的材质需要满足强度和刚度要求。由于双四连杆机构在底盘上的空间限制,因此必须合理地计算连杆的长度,使整机结构尽可能紧凑。根据升降平台的最大高度,初步确定连杆、连架杆和液压缸的最大高度。双四连杆机构的整体宽度由履带式底盘空间尺寸确定。考虑整车质量的限制,还要适当进行轻量化设计,以减轻双四连杆机构的质量。

3 杆长计算

双四连杆机构各连杆的长度关系到升降平台的平稳性,因此对连杆杆长进行计算。

▲图6 双四连杆机构参数

对于初始状态,由勾股定理可得:

(1)

对于最终状态,由余弦定理可得:

(2)

4 有限元分析

在Creo软件中对双四连杆机构进行建模,用于有限元分析,如图7所示[6-7]。有限元分析的对象是双四连杆机构装配体,由于履带式底盘和升降平台结构较为复杂,并且零部件较多,因此需要对模型进行简化和等效处理[8]。

▲图7 双四连杆机构模型

销轴的尺寸相对较小,为非规则结构,不易划分出高质量网格,并且对接触的设置也有较大影响。为便于计算,将销轴简化为圆柱体。

对于履带式底盘和机架之间的连接,原结构中使用螺栓连接。由于螺栓数量较多,接触种类较为复杂。并且不是分析研究的主要对象,因此将履带式底盘和机架合并为一个零部件,省去两者之间接触种类和数量的设置。

由于液压缸起升降和调节角度的作用,只受到轴向方向的力,并不承受侧向力,因此在特定的工作状态下,可以将液压缸的活塞杆和缸体视为一个零部件,即连杆。

所有零件的工艺性圆角、装饰性圆角均忽略,并忽略焊接对结构的影响。非主要受力部位的孔和槽结构也忽略不计。

简化后双四连杆机构模型如图8所示。

▲图8 简化后双四连杆机构模型

将模型导入Workbench软件,选择静力学模块进行静力学分析[9-10]。

网格划分运用体网格尺寸控制、面网格尺寸控制、边界尺寸控制等方法。得到网格数为60 660,节点数为122 146,平均网格质量为0.788 84,满足静力学有限元分析对模型网格质量的要求。网格划分结果如图9所示。

▲图9 双四连杆机构模型网格划分

根据各零件之间的运动关系,确定液压缸与履带式底盘、升降平台之间,机架与连架杆1、连架杆2之间,连架杆1、连架杆2与连杆之间,以及连杆与升降平台之间使用销轴连接,其它部位使用绑定接触。接触设置结果如图10所示。

▲图10 接触设置结果

升降平台有多种受力工况。受力较差工况1如图11所示,平台一侧同时受两个力。受力较差工况2如图12所示,平台两侧两个力为对角关系。在履带式底盘上施加约束和重力。升降平台结构较为复杂,选择远端载荷,载荷为20 000 N,不受机构本身限制。添加载荷和约束后进行求解。双四连杆机构工况1的总变形云图如图13所示,最大变形量为7.8 mm。双四连杆机构工况1的等效应力云图如图14所示,最大等效应力出现在液压缸与升降平台连接销轴处,最大等效应力值为246 MPa。双四连杆机构材料选用Q345钢,屈服强度为345 MPa,取安全因数为1.3,则许用应力为265 MPa。

▲图11 受力较差工况1▲图12 受力较差工况2▲图13 工况1总变形云图

静力学分析结果中,工况1的最大等效应力值为246 MPa,小于材料的许用应力;最大变形量为7.8 mm,与零部件尺寸相比可忽略。可见,双四连杆机构在工况1下强度和刚度满足要求。

双四连杆机构工况2的总变形云图如图15所示。总变形云图对称,升降平台和连杆的连接销轴处变形最大,最大值为1.8 mm。双四连杆机构工况2的等效应力云图如图16所示。工况2受一对力偶作用,机架和连架杆1的连接销轴受力最大处,最大等效应力值为224 MPa,小于材料的许用应力。可见,工况1和工况2的变形与受力符合设计要求。

5 线性度分析

利用ADAMS软件对升降平台的轨迹进行跟踪,并对整个过程的线性度进行分析计算。在ADAMS软件中,根据要求设置双四连杆机构的运动副和驱动力。当液压缸直线上升800 mm行程时,可获得L4杆端点从图6中B点运动到C点的轨迹,如图17所示。同时得到B点在X轴方向上相对于不动点A点的位移,如图18所示。由此可以得到L4杆端点运动轨迹的偏移量Δx。