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(yè)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(qū)域煤礦的開采力度，卡軌車作為副斜井中的重要設(shè)備，在煤礦領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。保證其較好的結(jié)構(gòu)性能，對提高煤礦的開采效率至關(guān)重要。壓軌連接件是卡軌車中的重要部件，由于井下環(huán)境惡劣，加上卡軌車經(jīng)常處于長時間作業(yè)狀態(tài)，導(dǎo)致壓軌連接件在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)中間軸變形、壓軌片變形及整體結(jié)構(gòu)的疲勞失效等故障現(xiàn)象，其故障發(fā)生率相對較高，嚴(yán)重影響著卡軌車的正常作業(yè)。因此，有必要對壓軌連接件使用過程的結(jié)構(gòu)性能開展研究分析。分析了卡軌車的結(jié)構(gòu)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(yīng)力變化、應(yīng)變變化等方向，開展了壓軌連接件使用過程中的結(jié)構(gòu)性能研究，由此，對壓軌連接件提出了結(jié)構(gòu)改進設(shè)計。該研究對提高壓軌連接件的結(jié)構(gòu)性能和卡軌車的運行安全具有重要作用。

1 卡軌車結(jié)構(gòu)組成分析

卡軌車是一種用于斜角小于30°的斜井運輸設(shè)備，能較為安全、可靠地對井下物料、設(shè)備及作業(yè)人員進行運輸，是井下作業(yè)過程中的不可或缺的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要由聯(lián)動機構(gòu)、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(guān)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(shè)計相對較為完善，可有效防止卡軌車運行過程中發(fā)生翻車、側(cè)翻等故障；

2）在卡軌車整體結(jié)構(gòu)中，除設(shè)置有自動制動裝置外，還進行了手動制動方式設(shè)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(xiàn)象；

3）卡軌裝置與制動裝置實現(xiàn)了雙重聯(lián)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(yōu)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(chǎn)生火花，能較好地滿足井下特殊環(huán)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(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)，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(jù)建立的壓軌連接件結(jié)構(gòu)，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)結(jié)構(gòu)后導(dǎo)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(shè)置為45 號鋼，確定了其材料的主要性能參數(shù)，如表1所示。同時，采用四面體網(wǎng)格類型，對壓軌連接件進行了網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)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(shù)

3 壓軌連接件使用性能研究

3.1 連接件應(yīng)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(yīng)力變化圖，如圖2 所示。由圖可知，連接件整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力出現(xiàn)了較為明顯的分布不均勻現(xiàn)象。其中，中間軸上的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，應(yīng)力值最大，中間軸與壓軌片的連接處也出現(xiàn)較大應(yīng)力值，而連接件上端的連接孔處也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其值相對較低，而連接件的其他部位應(yīng)力幾乎未發(fā)生變化。分析其原因為卡軌裝置在作業(yè)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(jīng)常處于長時間的超負(fù)荷作業(yè)狀態(tài)，在使用過程中，中間軸部位成為整個結(jié)構(gòu)的薄弱點，因此，在后期設(shè)計過程中，需對該件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進。

圖2 連接件應(yīng)力變化圖

3.2 連接件應(yīng)變變化分析

結(jié)合建立的壓軌連接件仿真模型，得到了連接件應(yīng)變變化圖，如圖3 所示。由圖可知，連接件的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較為明顯的彎曲變形現(xiàn)象，其中，連接件的壓軌片左右兩側(cè)出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(fā)生結(jié)構(gòu)變形。分析其原因為右側(cè)的支撐面與左側(cè)相比，相對較寬，導(dǎo)致在受到中間軸的載荷作用時，發(fā)生了向一側(cè)彎曲的變形情況。因此，在連接件長期使用過程中，極容易導(dǎo)致其發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或斷裂等故障現(xiàn)象，需對此變形量較大部位進行結(jié)構(gòu)加強。

圖3 連接件應(yīng)變圖

4 壓軌連接件結(jié)構(gòu)改進

通過仿真分析可知，壓軌連接件的中間軸出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，且底部的壓軌片及中間軸也發(fā)生了較大結(jié)構(gòu)變形，在其實際使用過程中，極容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、開裂或斷裂等故障現(xiàn)象[4-6]。因此，需對此結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進設(shè)計，具體措施如下：

1）在不影響壓軌連接件現(xiàn)場安裝情況下，將中間軸的結(jié)構(gòu)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(yīng)力較小的位置開設(shè)2 mm 小孔，以增大中間軸的結(jié)構(gòu)強度，轉(zhuǎn)移其集中的應(yīng)力；

2）增加壓軌片的結(jié)構(gòu)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(yōu)的材料，并在部件加工結(jié)束后，對整體進行淬火處理，以提高部件的整體結(jié)構(gòu)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(dāng)發(fā)生較為明顯的結(jié)構(gòu)變形或疲勞失效現(xiàn)象時，應(yīng)停止設(shè)備的運行，并及時更換或校正，保證其結(jié)構(gòu)能滿足卡軌車的使用需求。

5 結(jié)論

提高壓軌連接件的結(jié)構(gòu)性能，已成為當(dāng)下保證卡軌車正常運行的關(guān)鍵。因此，分析了卡軌車的結(jié)構(gòu)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(yīng)力變化、應(yīng)變變化等方向，開展了壓軌連接件使用過程中的結(jié)構(gòu)性能研究，得出如下結(jié)論：

1）壓軌連接件的中間軸出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象；

2）壓軌連接件的壓軌片及中間軸發(fā)生了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形；

3）此些結(jié)構(gòu)變化問題將可能導(dǎo)致壓軌連接件在使用過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)變形及疲勞失效現(xiàn)象。

由此，對壓軌連接件提出了結(jié)構(gòu)改進設(shè)計。該研究對提高壓軌連接件的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)改進設(shè)計提供了參考。