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(tuán)紫晟煤業(yè)有限責(zé)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(dāng)重視，礦用液壓支架作為井下作業(yè)中的重要支護(hù)裝置，其設(shè)備的正常運行對井下作業(yè)至關(guān)重要。其中，銷軸作為液壓支架中的關(guān)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(fù)雜，尤其是銷軸材料較差時，經(jīng)常出現(xiàn)損壞或者變形，需要經(jīng)常維修更換，嚴(yán)重影響了煤礦的正常生產(chǎn)。在銷軸設(shè)計過程中，需對其進(jìn)行動力學(xué)分析，而模態(tài)分析是瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析等動力特性分析的基礎(chǔ)，因此有必要對銷軸進(jìn)行模態(tài)分析。

結(jié)合液壓支架銷軸結(jié)構(gòu)特點分析，建立了銷軸的仿真模型，開展了銷軸模態(tài)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(tài)振型，并在結(jié)構(gòu)、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(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)，同時對于提高銷軸的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特點

液壓支架掩護(hù)梁是支撐掩護(hù)式液壓支架很重要的組成部分之一，掩護(hù)梁通過銷軸與其他關(guān)鍵部件進(jìn)行鉸接。由于銷軸在實際使用過程中，會隨工作環(huán)境、外界載荷、材料屬性、結(jié)構(gòu)制造工藝等諸多因素的變化而發(fā)生變化，同時銷軸工作過程中受力較為復(fù)雜，承受的是動載荷，當(dāng)其載荷超過材料的極限時，銷軸經(jīng)常出現(xiàn)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(hù)梁和前、后連桿相連，銷軸一旦發(fā)生共振，對其連接的構(gòu)件造成很大影響，產(chǎn)生異常噪音甚至破壞構(gòu)件。因此，為保證所設(shè)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(jìn)行模態(tài)分析。

2 液壓支架銷軸模型建立

2.1 三維模型建立

結(jié)合液壓支架銷軸的實際結(jié)構(gòu)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，以及提高模態(tài)分析計算結(jié)果的準(zhǔn)確度，對銷軸上的倒角、圓角、圓孔等結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了簡化，僅保留其結(jié)構(gòu)上關(guān)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(jù)液壓支架中銷軸的使用情況及故障問題，選用性能更加優(yōu)質(zhì)的35CrMo材料，對降低銷軸的故障概率至關(guān)重要，35CrMo材料的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 銷軸35CrMo材料的主要屬性參數(shù)

由于模型分析過程中，需對其進(jìn)行網(wǎng)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(jié)構(gòu)。因此，在液壓支架網(wǎng)格劃分時，采用了ANSYSWorkbench軟件，選用了實體單元型六面體網(wǎng)格，其網(wǎng)格大小確定為2mm，如圖3所示。

約束條件的設(shè)置對于模態(tài)分析來說至關(guān)重要，不同的約束條件下，模態(tài)分析的結(jié)果相差甚大。根據(jù)銷軸的實際工況，完成了兩種約束條件下的模態(tài)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(tài)分析

模態(tài)分析的目的是得出其各階固有頻率值和模態(tài)振型，然后與工作頻率或者環(huán)境激勵頻率相比較，避免共振。而模態(tài)振型是在各階固有頻率的激勵下，系統(tǒng)的變形情況，從而根據(jù)模態(tài)振型可以判斷出系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考和指導(dǎo)。

3.1 銷軸在軸向約束條件下模態(tài)分析

理論上來說，固有頻率有n階，并且數(shù)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(tǒng)的工作頻率或者環(huán)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(tài)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(tǒng)的工作頻率較低，兩者相隔甚遠(yuǎn)，銷軸發(fā)生共振的概率較低。同時還發(fā)現(xiàn)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(tài)振型如圖4所示。第1階和第2階發(fā)生平面內(nèi)的振動，第3階為扭轉(zhuǎn)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(tài)振型類似，與固有頻率值接近對應(yīng)。這是由于銷軸存在兩個對稱方向的自由度，因此產(chǎn)生了前后兩階相似的模態(tài)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(tài)振型圖

3.2 銷軸在徑向約束條件下模態(tài)分析

提取銷軸在徑向約束條件下的固有頻率和模態(tài)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(tài)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(tài)分析結(jié)果，可以看出，不同約束條件下，銷軸的固有頻率和模態(tài)振型差異較大，因此約束方式是模態(tài)分析重要的決定因素，在模態(tài)分析前，必須準(zhǔn)確分析和設(shè)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(xiàn)不同程度的變形、磨損或斷裂等故障現(xiàn)象，為了提高銷軸的可靠性，可以從以下幾方面進(jìn)行考慮。

1）結(jié)構(gòu)方面。一方面，可以適當(dāng)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(shè)置較大幅度的圓角；另一方面，可對銷軸軸肩端主要加載結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，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(qiáng)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(jìn)行調(diào)質(zhì)提高韌性。銷軸損壞后，盡量跟換新件，焊接和改制后繼續(xù)使用再次出現(xiàn)失效的概率大大增加。

3）連接方式?？梢試L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(jié)構(gòu)簡單、制作方便，安裝和維修快捷。

5 結(jié) 論

銷軸在使用過程中時常會出現(xiàn)不同程度的變形、磨損或斷裂等故障現(xiàn)象，結(jié)合液壓支架銷軸結(jié)構(gòu)特點分析，開展了銷軸模態(tài)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(tài)振型，并在結(jié)構(gòu)、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(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)，同時對于提高銷軸的結(jié)構(gòu)性能，保證煤礦安全可靠開采具有重要意義。