链条固定装置的结构设计

王 静

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

我院自行研发生产的锚杆钻车配备了新设计的圆柱导向对称结构的锚杆钻机，本文讨论的链条固定装置是本钻机进给机构的一部分。

1 原设计的结构缺陷

1.1 结构介绍

为了在有限长的空间内实现尽可能大的进给行程，本钻机采用动滑轮机构用于加倍行程。如图1所示，链条一端固定，绕过滚轮后另一端连接钻箱，进给油缸推动滚轮运动，钻箱实现行程倍增。

由于结构复杂、空间狭小、受力状况严酷，加之时间仓促，结构设计不是很合理，在使用早期链条固定装置就出现了损坏，针对这种情况，进行了改型设计。

经过项目前期方案论证，决定采用对称结构的推进机构，推进油缸居中布置，两侧采用两套动滑轮倍增机构。如图1（a）所示，两根链条一起驱动钻箱上升，链条一端固定，制造、组装误差导致两条链条不同步，驱动力不均匀。链条受力不均容易导致一根链条先断，另一根也将很快损坏。

图1 原进给机构

实际设计的进给机构如图1（b）所示，两根链子都固定在链条固定耳上，链条固定耳通过固定销铰接到链条固定杆上。如果出现两根链子受力不均的情况，则链条固定耳绕铰接点旋转，两根链条可自动达到均衡受力。

1.2 结构分析

如图1（b）所示，链条固定杆为细长杆件，且挖去了一大半的材料，强度、刚度不足。该杆承受偏心载荷，现场发现此杆出现明显的弯曲变形，固定孔被压溃。链条固定销承受偏心载荷而发生弯曲，由于固定杆上的孔发生压溃变形，本用于定位的台阶承受了较大拉力而发生变形。固定销和销孔变形后，链条固定耳上下面与固定杆开槽接触，发生挤压溃变；链条连接孔受力较大，发生撕裂。

由以上分析可知，链条固定杆刚度不足、销轴和固定耳强度不足是原结构的主要缺陷，克服这些缺陷是后续改型设计需要重点考虑的内容。

2 备选方案结构比较

针对原装置的破坏情况，提出了几种备选方案，如图2所示。本文先对这些结构进行介绍，并同时分析这些结构的主要特点，指出后续强度分析需要重点关注的点。

图2 备选机构

2.1 环槽双销轴形式

环槽双销轴方案如图2（a）所示，固定杆开口方式与原方案基本相同，固定销穿过固定耳、固定杆，固定销中部开环槽，插入两个小销轴约束固定销轴向窜动。结构特点：固定杆虽然开口方式与原方案同，但由于去掉了原结构中的螺母结构，让出了空间，固定杆往后延出，本身刚度加强了；链条固定耳在链条固定孔处进行适当加强，同时将板厚加大；固定杆刚度提高后，销子受力正常，强度有保证。销子采用开环槽加销子的固定方式，一旦固定杆变形，固定处必然出现较大的轴向载荷，这种固定方式未必可靠。

2.2 U 型卡形式

U 形卡方案如图2（b）所示，此方案与环槽双销轴形式主要区别之处在销轴的固定方式上，销轴尾部开槽，用U 形卡挡住销轴防止其窜动。结构特点：针对性地解决前一方案地销轴固定问题，U 形卡固定方式更可靠，在固定杆发生变形后仍能可靠限位。

2.3 压块形式

压块形式方案如图2（c）所示，固定杆上开深长槽，固定耳做成凸圆形，压块上开内圆弧槽用于支撑固定耳，压块与固定杆之间靠螺钉联结。结构特点：用凸圆和内圆弧形式代替销轴，连接强度增大；固定杆开槽方向改变，开槽更大、更深，对其强度和刚度影响较大。所幸的是采用压块对其进行了加强，链条的拉力载荷由压块传给固定杆止口，弯矩有使压块与固定杆分离的趋势，此力由固定螺钉承受，止口与螺钉的受力容易保证。

3 强度比较

上述各方案结构都存在一些刚度、强度可能不足的地方，需要进行计算分析进行验证。本文采用目前较通用的有限元软件Workbench 对各备选方案模型进行结构静力学分析，主要看各结构的应力分布、变形等。

3.1 分析方法

各结构的几何模型及载荷左右对称，为减小计算量，采用对称模型进行计算。计算时去掉对结果影响不大的小孔、倒角等小特征。

边界条件：悬挂杆下端固定，上端放开竖直方向自由度，链条安装孔处施加工作载荷。为了更好的模拟实际工况，在压块结构中给螺栓加了预紧力。

3.2 分析结果

（1）环槽双销轴形式。环槽双销轴形式计算结果如图3所示，固定耳去除应力集中点最大应力，销轴环槽内应力达1500MPa；悬挂杆去除应力集中点最大应力，环槽内部应力为701MPa，均已超过材料许用应力。

（2）U 形卡形式。U 形卡形式计算结果如图4所示，固定耳销轴端部沟槽内最大应力1154MPa，固定杆安装孔顶部受压，最大应力达1678Mpa，均已超过材料许用应力。

图3 环槽双销轴分析结果

图4 U形卡形式分析结果

图5 压块形式分析结果

（3）压块形式。压块形式计算结果如图5所示，固定杆最大应力为517MPa，固定耳最大应力为513MPa，均没有超过最大许用应力。

4 结束语

由上述分析结果可知，所有结构中只有压块形式能够满足强度要求，采用压块形式作为最终设计方案。

进行结构改进后，固定杆不再出现弯曲变形，压块与固定杆间固定良好，固定耳再也没有发生破坏，使用效果良好。

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