解宏伟

（霍州煤电集团紫晟煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

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Solidworks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ANSYSWorkbench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。

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。

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

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。