基于Workbench的矿用液压支架销轴振动特性分析_解宏伟.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0 引言 目前， 国家对煤矿开采过程中的安全问题相当重 视，矿用液压支架作为井下作业中的重要支护装置， 其设备的正常运行对井下作业至关重要。其中， 销轴 作为液压支架中的关键部件之一， 其性能的好坏直接 决定着液压支架的运行情况。 液压支架销轴在工作中 使用频繁、 受力复杂， 尤其是销轴材料较差时， 经常出 现损坏或者变形， 需要经常维修更换， 严重影响了煤 矿的正常生产。在销轴设计过程中， 需对其进行动力 学分析， 而模态分析是瞬态分析、 谐响应分析、 谱分析 等动力特性分析的基础， 因此有必要对销轴进行模态 分析。 结合液压支架销轴结构特点分析， 建立了销轴的 仿真模型， 开展了销轴模态分析， 得到了销轴在轴向 和径向两种约束条件下的固有频率和模态振型， 并在 结构、 材料和工艺以及连接方式三个方面提出了提高 销轴可靠性的措施。 该研究为销轴的动力学分析提供 了理论基础， 同时对于提高销轴的结构性能， 保证煤 矿安全可靠开采具有重要意义。 1液压支架销轴结构特点 液压支架掩护梁是支撑掩护式液压支架很重要 的组成部分之一， 掩护梁通过销轴与其他关键部件进 行铰接。 由于销轴在实际使用过程中， 会随工作环境、 外界载荷、 材料属性、 结构制造工艺等诸多因素的变 化而发生变化，同时销轴工作过程中受力较为复杂， 承受的是动载荷， 当其载荷超过材料的极限时， 销轴 经常出现损坏或者变形， 如图 1 所示。 图 1液压支架销轴失效图 液压支架的销轴为连接件， 与顶梁、 掩护梁和前、 后连杆相连， 销轴一旦发生共振， 对其连接的构件造 基于 Workbench 的矿用液压支架销轴振动特性分析 解宏伟 （霍州煤电集团紫晟煤业有限责任公司 ， 山西 霍州 031400） 摘要 销轴作为液压支架中的关键部件之一， 常出现损坏或者变形， 严重影响了煤矿的正常生产。 结合液压支架销轴结构特点分析， 建立了销轴的仿真模型， 开展了销轴模态分析， 得到了销轴在轴向 和径向两种约束条件下的固有频率和模态振型， 并在结构、 材料和工艺以及连接方式三个方面提出了 提高销轴可靠性的措施。该研究为销轴的动力学分析提供了理论基础，同时对于提高销轴的结构性 能， 保证煤矿安全可靠开采具有重要意义。 关键词 煤矿 ； 液压支架 ； 销轴 ； 模态分析 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0136- 03 Analysis of vibration characteristics of the ore hydraulic support pin shaft based on Workbench XIE Hongwei （Huozhou Coal and ElectricityGroup Ziyu Coal IndustryCo., Ltd. , Huozhou 031400 , China） Abstract As one ofthe keycomponents in the hydraulic support, the pin shaft is often damaged or deed, which seriouslyaffects the nor- mal production of coal mine. Combined with the analysis of the characteristics of the hydraulic support pin shaft structure, the simulation model of the pin shaft is established, the mold analysis of the pin shaft is carried out, the natural frequency and modal vibration pattern of the pin shaft under the two constraints of axial and radial, and the measures to improve the reliability of the pin shaft are put forward in the three aspects of structure, material and process and connection mode. This study provides a theoretical basis for the dynamic analysis of the pin shaft, and is of great significance for improving the structural perance of the pin shaft and ensuring the safe and reliable mining of coal mine. Keywords coal mine; hydraulic support; pin shaft; modal analysis 136 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 成很大影响， 产生异常噪音甚至破坏构件。 因此， 为保 证所设计的销轴能满足液压支架的实际使用需求， 有 必要对销轴进行模态分析。 2液压支架销轴模型建立 2.1三维模型建立 结合液压支架销轴的实际结构尺寸， 采用 Solid- works 软件， 建立了销轴的三维模型； 为了方便对销轴 进行网格划分，以及提高模态分析计算结果的准确 度， 对销轴上的倒角、 圆角、 圆孔等结构特征进行了简 化， 仅保留其结构上关键特征。 由此， 建立了简化后的 销轴三维模型， 如图 2 所示。 图 2液压支架销轴三维模型图 2.2仿真模型建立 定义销轴材料属性时， 根据液压支架中销轴的使 用情况及故障问题， 选用性能更加优质的 35CrMo 材 料， 对降低销轴的故障概率至关重要， 35CrMo材料的 主要性能参数如表 1 所示。 表 1销轴 35CrMo 材料的主要属性参数 由于模型分析过程中，需对其进行网格划分， 考 虑到六面体单元比四面体单元具有更高的分析精度， 且销轴基本为实体结构。因此， 在液压支架网格划分 时， 采用了 ANSYS Workbench 软件， 选用了实体单元 型六面体网格，其网格大小确定为 2mm，如图 3 所 示。 约束条件的设置对于模态分析来说至关重要， 不 同的约束条件下， 模态分析的结果相差甚大。根据销 轴的实际工况，完成了两种约束条件下的模态分析， 一种是轴向约束， 一种是径向约束。 图 3液压支架销轴网格划分图 3液压支架销轴振动模态分析 模态分析的目的是得出其各阶固有频率值和模 态振型，然后与工作频率或者环境激励频率相比较， 避免共振。而模态振型是在各阶固有频率的激励下， 系统的变形情况， 从而根据模态振型可以判断出系统 或者结构的薄弱环节， 为系统或者结构设计提供参考 和指导。 3.1销轴在轴向约束条件下模态分析 理论上来说， 固有频率有 n 阶， 并且数值是从小 到大顺序排列的， 阶次越高固有频率值也越大。而系 统的工作频率或者环境激励频率一般情况下都比较 低， 因此通常情况下， 只需要研究低阶的固有频率即 可满足要求。通过模态分析， 提取液压支架销轴前 6 阶的固有频率， 各阶固有频率值如表 2 所示。从表中 可以看出， 销轴的前 6 阶的固有频率值都相对来说较 高， 第 1 阶固有频率值为 292.3Hz， 而系统的工作频 率较低， 两者相隔甚远， 销轴发生共振的概率较低。 同 时还发现第 1 阶和第 2 阶以及第 4 阶和第 5 阶固有 频率值都非常接近。 表 2销轴轴向约束条件下 1～6 阶固有频率值 提取销轴的前 6 阶的模态振型如图 4 所示。 第 1 阶和第 2 阶发生平面内的振动，第 3 阶为扭转振动， 第 4 阶为上下振动， 第 5 阶和第 6 阶为中部的弯曲振 动。 第 1 阶和第 2 阶以及第 5 阶和第 6 阶的模态振型 类似， 与固有频率值接近对应。这是由于销轴存在两 个对称方向的自由度， 因此产生了前后两阶相似的模 态振型， 并且其固有频率值也非常接近。 1一阶模态振型2二阶模态振型3三阶模态振型 4四阶模态振型5五阶模态振型6六阶模态振型 图 4销轴轴向约束条件下 1～6 阶模态振型图 3.2销轴在径向约束条件下模态分析 提取销轴在径向约束条件下的固有频率和模态 材料类型弹性模量 （MPa ）屈服强度 （MPa ）密度 （g/cm3）泊松比 35CrMo2.061058357.850.3 阶次第 1 阶第 2 阶第 3 阶第 4 阶第 5 阶第 6 阶 固有频率 （Hz ）292.3293.4373.3577.9578.1601.4 137 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 振型， 如表 3 和图 5 所示。可以看出， 销轴在径向约 束条件下， 各阶固有频率值要高得多， 显然刚度也 更大。 表 3销轴径向约束条件下 1～6 阶固有频率值 1一阶模态振型2二阶模态振型3三阶模态振型 4四阶模态振型5五阶模态振型6六阶模态振型 图 5销轴径向约束条件下 1～6 阶模态振型图 对比销轴在轴向和径向两种不同的约束方式下 的模态分析结果， 可以看出， 不同约束条件下， 销轴的 固有频率和模态振型差异较大， 因此约束方式是模态 分析重要的决定因素， 在模态分析前， 必须准确分析 和设置销轴的约束方式。 4提高销轴可靠性措施 销轴在使用过程中时常会出现不同程度的变形、 磨损或断裂等故障现象，为了提高销轴的可靠性， 可 以从以下几方面进行考虑。 1 ） 结构方面。 一方面， 可以适当增加销轴轴肩的 厚度， 以及轴肩的直径， 并且在轴肩过渡处设置较大 幅度的圆角； 另一方面， 可对销轴轴肩端主要加载结 构进行改进， 减小对销轴的载荷作用。 2 ） 材料和工艺。实际使用中的销轴材料常常为 Q345， 强度和韧性较低， 可以选用 40Cr 或者 35CrMo 两种材料。 由于液压支架销轴使用工况的限制， 销轴 只能进行调质提高韧性。销轴损坏后，尽量跟换新 件，焊接和改制后继续使用再次出现失效的概率大 大增加。 3 ） 连接方式。可以尝试选用快换式销轴， 这种销 轴去除了轴肩， 增加了挡块来固定销轴， 这种结构简 单、 制作方便， 安装和维修快捷。 5结论 销轴在使用过程中时常会出现不同程度的变形、 磨损或断裂等故障现象， 结合液压支架销轴结构特点 分析， 开展了销轴模态分析， 得到了销轴在轴向和径 向两种约束条件下的固有频率和模态振型，并在结 构、 材料和工艺以及连接方式三个方面提出了提高销 轴可靠性的措施。 该研究为销轴的动力学分析提供了 理论基础， 同时对于提高销轴的结构性能， 保证煤矿 安全可靠开采具有重要意义。 参考文献 [1] 王仲凯,夏凯,李振安,马海红.液压支架重型销轴托举装 置的研究与应用[J].煤矿机械,2018,39 （03） 109- 110. 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