副斜井卡轨车压轨连接件的使用性能研究

员渊源

（山西潞安集团潞宁煤业公司， 山西 忻州 036000）

引言

随着国家对能源需求的逐渐增多，加大了对各区域煤矿的开采力度，卡轨车作为副斜井中的重要设备，在煤矿领域中得到了广泛应用。保证其较好的结构性能，对提高煤矿的开采效率至关重要。压轨连接件是卡轨车中的重要部件，由于井下环境恶劣，加上卡轨车经常处于长时间作业状态，导致压轨连接件在使用过程中经常出现中间轴变形、压轨片变形及整体结构的疲劳失效等故障现象，其故障发生率相对较高，严重影响着卡轨车的正常作业。因此，有必要对压轨连接件使用过程的结构性能开展研究分析。分析了卡轨车的结构特点，采用PROE 软件和ANSYS 软件，建立了压轨连接件的仿真模型，从压轨连接件的应力变化、应变变化等方向，开展了压轨连接件使用过程中的结构性能研究，由此，对压轨连接件提出了结构改进设计。该研究对提高压轨连接件的结构性能和卡轨车的运行安全具有重要作用。

1 卡轨车结构组成分析

卡轨车是一种用于斜角小于30°的斜井运输设备，能较为安全、可靠地对井下物料、设备及作业人员进行运输，是井下作业过程中的不可或缺的设备，其结构主要由联动机构、卡轨装置、车体、轮轨、缓冲装置等组成，其中压轨连接件是卡轨装置中的关键部件[1-3]。目前，斜井中的卡轨车功能均较为完善，其主要功能特点包括：

1）卡轨装置的设计相对较为完善，可有效防止卡轨车运行过程中发生翻车、侧翻等故障；

2）在卡轨车整体结构中，除设置有自动制动装置外，还进行了手动制动方式设计，可针对钢丝绳断绳故障时进行双重制动保护，有效防止了行车时误操作现象；

3）卡轨装置与制动装置实现了双重联合制动，在实际制动过程中，具有制动平衡、操作灵活、制动效果优等特点；

4）制动装置的制动摩擦片选用了耐磨损材料，在较大制动力作用下，不会产生火花，能较好地满足井下特殊环境的使用需求。

2 压轨连接件模型建立

2.1 三维模型建立

由于压轨连接件是卡轨车中卡轨装置上的重要部件，为进一步掌握其在使用过程中的结构性能，采用了PROE 软件，建立了压轨连接件的三维模型。同时，为使仿真结果与实际使用情况更加吻合，提高仿真精度和速度，对连接件上的过渡圆弧、螺纹连接孔等特征进行了特征省略简化，仅保留了压轨片、中间轴、连接孔等关键结构，由此，建立了压轨连接件的三维模型，如图1 所示。

图1 压轨连接件三维模型

2.2 仿真模型建立

根据建立的压轨连接件结构，将其转换为相应结构后导入ANSYS 软件中，对其进行仿真模型的建立。压轨连接件实际使用时的材料主要为Q345、45号钢等，因此，在软件中，将压轨连接件的材料设置为45 号钢，确定了其材料的主要性能参数，如表1所示。同时，采用四面体网格类型，对压轨连接件进行了网格划分，网格大小设置为10 mm。由于压轨连接件在工作过程中，其压轨片主要受到压力作用，而压力的计算公式为F=mg/8，其中，m 为卡轨车的重量 2 800 kg，g 为重力加速度，9.8 m/s2。通过计算，在压轨片上施加了3.5 kN 的压力，并对两个连接孔进行了固定约束，在施加完重力后，完成了压轨连接件的仿真模型建立。

表1 连接板45 号钢材料主要性能参数

3 压轨连接件使用性能研究

3.1 连接件应力变化分析

通过对压轨连接件的仿真分析研究，得到了连接件的应力变化图，如图2 所示。由图可知，连接件整体结构的应力出现了较为明显的分布不均匀现象。其中，中间轴上的应力集中现象最为明显，应力值最大，中间轴与压轨片的连接处也出现较大应力值，而连接件上端的连接孔处也出现了一定的应力集中现象，但其值相对较低，而连接件的其他部位应力几乎未发生变化。分析其原因为卡轨装置在作业过程中，连接孔承受一定载荷后，将外部载荷通过中间轴传递至压轨片上。鉴于压轨连接件经常处于长时间的超负荷作业状态，在使用过程中，中间轴部位成为整个结构的薄弱点，因此，在后期设计过程中，需对该件进行结构优化改进。

图2 连接件应力变化图

3.2 连接件应变变化分析

结合建立的压轨连接件仿真模型，得到了连接件应变变化图，如图3 所示。由图可知，连接件的整体结构发生了较为明显的弯曲变形现象，其中，连接件的压轨片左右两侧出现了较为明显的结构变形，并向中间轴方向呈逐渐减小趋势，而中间轴因受到压轨片的变形影响，也出现了较为明显的变形，在中间轴与压轨片连接处的变形最为明显，而连接片的其他部位则几乎未发生结构变形。分析其原因为右侧的支撑面与左侧相比，相对较宽，导致在受到中间轴的载荷作用时，发生了向一侧弯曲的变形情况。因此，在连接件长期使用过程中，极容易导致其发生结构变形或断裂等故障现象，需对此变形量较大部位进行结构加强。

图3 连接件应变图

4 压轨连接件结构改进

通过仿真分析可知，压轨连接件的中间轴出现了较大应力集中现象，且底部的压轨片及中间轴也发生了较大结构变形，在其实际使用过程中，极容易发生结构变形、开裂或断裂等故障现象[4-6]。因此，需对此结构进行优化改进设计，具体措施如下：

1）在不影响压轨连接件现场安装情况下，将中间轴的结构尺寸增大4～5 mm，同时，增大中间轴与压轨片的过渡圆弧尺寸，并在中间轴上应力较小的位置开设2 mm 小孔，以增大中间轴的结构强度，转移其集中的应力；

2）增加压轨片的结构厚度，并对压轨片底部直角进行倒角加工，增大右端圆杆与压轨片连接处的过渡圆弧值；

3）可在中间轴与压轨片连接处、中间轴与顶部连接处焊接三块加强板，并进行均匀分布；

4）对压轨连接件采用材料性能更优的材料，并在部件加工结束后，对整体进行淬火处理，以提高部件的整体结构强度；

5）在压轨连接件使用过程中，定时对其使用变形情况进行检查，当发生较为明显的结构变形或疲劳失效现象时，应停止设备的运行，并及时更换或校正，保证其结构能满足卡轨车的使用需求。

5 结论

提高压轨连接件的结构性能，已成为当下保证卡轨车正常运行的关键。因此，分析了卡轨车的结构特点，采用PROE 软件和ANSYS 软件，建立了压轨连接件的仿真模型，从压轨连接件的应力变化、应变变化等方向，开展了压轨连接件使用过程中的结构性能研究，得出如下结论：

1）压轨连接件的中间轴出现了较大的应力集中现象；

2）压轨连接件的压轨片及中间轴发生了较为明显的结构变形；

3）此些结构变化问题将可能导致压轨连接件在使用过程中发生结构变形及疲劳失效现象。

由此，对压轨连接件提出了结构改进设计。该研究对提高压轨连接件的结构性能和卡轨车的运行安全具有重要作用，也为后期开展压轨连接件的结构改进设计提供了参考。