长寿命导向机构设计*

长寿命导向机构设计*

张云波1,2,3

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，太原 030006；

3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，太原 030006）

摘要：通过分析煤矿井下各种形式导向柱的耐磨性差、铜套磨损严重等故障的原因，通过有限元分析，采取高强度不锈钢管代替传统碳钢导向柱；该结构已经在井下进行试验，试验表明高强度不锈钢管导向结构的耐磨性、强度、精度均能满足使用要求，且大幅度延长了该结构的使用寿命，降低了维修成本。

关键词：导向柱；耐磨性；长寿命

中图分类号：TD   文献标识码：A 

0引言

在重型机械行业，尤其是在煤矿井下掘进或者综采工作面，经常会将某个物体或整套机构沿着指定的路径提升或移动到某些位置[1]。由于油缸只能承受轴向载荷，不能承受径向载荷，因此我们常会设计一些导向机构在油缸的推动下实现移动副的完成。

1导向方式分类

煤矿井下常见的导向方式有方套筒导向、燕尾槽导向和圆柱套筒导向常用的导向方式，如图1所示。导向机构用来承受径向力，用油缸来驱动机构的推移，其中油缸一端与活动件相连，另一端与固定件相连。

图1 常用导向方式

燕尾槽与方套筒使用时为了保证导向的精度，常会采用以材料铜为主的压条或者压块来调整移动件与活动件的间隙[2]，但是其接触面一般为压条或者铜块的一个小面或者一条线，接触面积一般较小，会造成局部压力大，甚至局部压溃、导向精度低等问题。圆柱导向的内外套筒常采用车、镗、磨等加工工艺，可加工性更高[3]，在内外套筒中间增加铜套来增加零部件的可更换性，圆柱导向能够达到配合级精度，因此在导向过程中接触面大，具有受力均匀、导向精度高等优势。

2圆柱导向结构的优化

采用普通的碳钢作为导向柱，导向柱的表面常会锈蚀、耐磨性差等问题的出现，为解决锈蚀、耐磨性差等问题，采用不锈钢材质作为导向柱，导向柱与活动件之间的介质不采用铜套，在本次应用中采用多道密封和导向，如下图所示，其密封由一道防尘环、一道密封和支撑环组成，其内部形成一个密闭腔体，通过黄油润滑，能够有效润滑，减轻磨损，同时不锈钢材质的导向柱拥有天然优势，能够避免锈蚀问题。

1-导向柱 2-防尘环 3-密封 4-耐磨环

5-注油口 6-固定件 7-注油腔

图2 圆柱导向优化机构

为保证圆柱导向机构在使用过程中的的强度与刚度，在相对恶劣的情况下分析导向机构的力学特性，对圆柱导向机构进行了有限元分析[4]，在铜套与导向柱之间设置摩擦接触，摩擦系数0.1，固定导向柱的两端，在移动件上施加径向力，分别分析了实心导向柱与空心导向柱的强度和刚度。从下图的应力-位移分布云图可以看出，空心导向柱的最大应力为205.66MPa，出现在导向柱固定端，最大变形为2.11mm，出现在整根导向柱的中间位置，导向柱在中间区域的刚度最弱，实心导向柱的最大应力为175.85 MPa，最大变形为1.81mm。

图3 空心导向柱的应力分布云图

图4 空心导向柱的位移分布云图

图5 实心导向柱的应力分布云图

图6 实心导向柱的位移分布云图

通过有限元分析可得空心不锈钢导向柱的强度和刚度均可满足我们的使用要求。而且采用不锈钢钢管的导向柱质量可减轻40%左右，但是强度和刚度只减少原来的17%，但是仍可满足我们的使用要求。高强度不锈钢管的引入不仅能够降低导向柱的重量，还能解决传统碳钢锈蚀、表面镀层脱落的问题，能够提升设备的可靠性，提高设备的运行寿命，同时保证一个很高的精度，可以在恶劣工况的煤矿井下推广使用，尤其适用目前轻量化、智能化煤机产品中。

该优化的圆柱导向机构已经在陕北、神东、山东等多处煤矿井下进行使用，使用结果表明采用该润滑充分的圆柱导向结构耐磨性、强度、精度均能满足使用要求，并且大幅度提升了该结构的使用寿命，降低了维修成本。

3结论

（1）内外套筒作为圆柱配合，能够达到配合级精度，比方套筒导向、燕尾槽导向精度更好。

（2）高强度不锈钢管能够大幅度降低重量，而强度和刚度基本保持不变，是一种轻量化的设计方案。

（3）圆柱导向结构中采用多道密封导向与防尘能够大幅度提高耐磨性，从而延长使用寿命。

参考文献：

[1] 宋明江.新型提升机构的设计研究[J].煤矿机械,2015,36(02):37-38.

[2]靳华伟,张新,夏华明,张晨旭,张安宁.煤矿提升天轮车槽装置的结构设计及实验研究[J].煤炭技术,2018,37(12):192-194.

[3]高冠维.数控车削套筒类零件加工工艺分析[J].林业机械与木工设备,2013,41(10):50-53.

[4]庞荫铭,王余滨,李秀红,李文辉,任家骏.WK-75矿用挖掘机履带架有限元分析及结构优化[J].矿业研究与开发,2019,39(01):100-105.

作者简介：张云波（1993-），男，山西长治人，工学硕士，研究实习员，研究方向：锚杆智能支护、有限元分析。

基金项目：国家重点研发计划《锚杆支护机器人关键技术及装备研发》（2020YFB1314003）;山西省攻关专项《煤矿一体化钻锚机器人研制》（2020XXX001）；山西天地煤机装备有限公司科技重大项目《锚杆锚索分段支护的锚护机器人的研制》(M2022－ZD01)。