礦用液壓支架底座前端折彎件搭接的優(yōu)化分析

楊 玥,蘇紅娟

(山西平陽煤機裝備有限責(zé)任公司, 山西 侯馬 043100)

在礦用液壓支架設(shè)計過程中,不僅要防止井下采煤工作中支架進(jìn)行拉架動作時發(fā)生底座啃底,同時還要保證推桿前端連接頭的擺動量,因此液壓支架底座前端的內(nèi)主筋采用單折彎,底板采用雙折彎的設(shè)計較為常見[1]。但是,在實際生產(chǎn)過程中,對于此類設(shè)計,兩折彎件之間折彎處的搭接部分不僅存在下料時的板料冗余和現(xiàn)場焊接需要反復(fù)比對修割等問題,而且兩折彎板件之間的搭接量或焊接量無法保證,容易造成批產(chǎn)性質(zhì)量整改問題,嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)空隙,可導(dǎo)致液壓支架質(zhì)量下降,使用壽命縮短。目前,對于兩折彎板件折彎處搭接部分的尺寸設(shè)計,業(yè)內(nèi)設(shè)計單位的圖紙中也很難找出合理的設(shè)計方法[2-3],這種常見的底座前端設(shè)計一直存在著零件圖紙尺寸不精確、組焊件圖紙不詳甚至錯誤的圖紙問題,支架制造廠家也多以現(xiàn)場靈活處理為主要解決辦法。因此,兩折彎板件折彎處搭接部分的尺寸設(shè)計一直是許多液壓支架設(shè)計部門的難點。

1 現(xiàn)有技術(shù)分析

1.1 二維設(shè)計分析

圖1為某公司基于Auto CAD的設(shè)計出圖。圖1(a)為底板的正視圖與俯視展開圖,圖1(b)為內(nèi)主筋的正視圖與俯視圖。此套支架底座產(chǎn)品采用內(nèi)主筋單折彎,底板雙折彎的設(shè)計。由圖可知,其內(nèi)主筋正向視圖外輪廓沿用了底板內(nèi)輪廓尺寸。在實際生產(chǎn)過程中,假定生產(chǎn)加工的誤差為0,板件折彎后搭接勢必會產(chǎn)生較大的空隙,從而影響底座生產(chǎn)的一次焊接合格率。若按照圖1加工,工藝部門應(yīng)該先制作內(nèi)主筋下料時的放量,在折彎后點裝時,進(jìn)行現(xiàn)場比對和干涉部位的割除才可完成生產(chǎn)。該方法不僅增加了生產(chǎn)工作量,同時延長了制造周期,產(chǎn)品批產(chǎn)時的質(zhì)量還會受焊接工人的技術(shù)影響[4-6]。

圖1 二維設(shè)計圖紙示例Fig.1 Illustration of 2D design drawings

1.2 三維設(shè)計分析

某公司基于Solidworks的設(shè)計如圖2所示。圖2(a)為內(nèi)主筋正視圖與俯視展開圖,圖2(b)為底座前端三維模型示意圖。由圖可見,內(nèi)主筋建模結(jié)果為非鈑金件,實際無法加工成型。盡管此套支架底座產(chǎn)品折彎角度較小,在實際生產(chǎn)中滿足加工誤差要求,但是按照這種建模方法,當(dāng)折彎角度變大時,同樣只能進(jìn)行現(xiàn)場手動修割和焊料填補,不能解決根本的問題。

(a)內(nèi)主筋正視圖與俯視展開圖

(b)底座前端三維模型示意圖圖2 三維設(shè)計圖紙示例Fig.2 Illustration of 3D design drawings

由上述分析可知,此類液壓支架底座前端的內(nèi)主筋與底板均為折彎件的設(shè)計。無論是二維出圖還是三維建模,由于折彎板件的特殊性將限制其出圖的準(zhǔn)確性和模擬的精確性。目前普遍多以現(xiàn)場對兩板折彎后進(jìn)行比對、修割和焊料堆疊填補為主,尤其是給定圖紙尺寸取決于設(shè)計員的設(shè)計經(jīng)驗,通常造成一定的放量,需要在現(xiàn)場點裝時手動割除。另外,若兩板之間搭接量(焊接量)無法保證,支架處的質(zhì)量也參差不齊,也會給下料、折彎、鉚焊等工藝車間造成極大負(fù)擔(dān)。所以,需要對現(xiàn)有兩折彎板件折彎處搭接部分的尺寸設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。

2 改進(jìn)方案

2.1 第一次改進(jìn)

通過對此類設(shè)計以及圖紙現(xiàn)狀進(jìn)行分析可知,造成上述現(xiàn)象的原因主要在于板件折彎后,兩折彎件搭接部分輪廓線不規(guī)則,難以通過設(shè)計軟件完全進(jìn)行仿真模擬?？紤]到三維設(shè)計可以對板件的加工和搭接進(jìn)行一定程度的仿真還原,并且可以進(jìn)行可視化仿真試驗。在此基礎(chǔ)上,同時結(jié)合現(xiàn)有研究成果[7]確定本文改進(jìn)方向主要集中在建模優(yōu)化上。

2.1.1底板設(shè)計

關(guān)于底座底板的設(shè)計,如圖3所示。在驅(qū)動草圖正視平面中,以實線繪出底板折彎后的正視輪廓線,沿Z向拉伸出實體,再在俯視平面中以實線繪出底板折彎后的外輪廓線,以構(gòu)造線繪制出折彎后的內(nèi)輪廓線,沿Y向反向拉伸切除,得到一個非板料模型,再進(jìn)行鈑金工藝,做出折彎的板料。

圖3 底板建模步驟圖Fig.3 Flow chart of floor modeling

2.1.2內(nèi)主筋設(shè)計

關(guān)于底座內(nèi)主筋的設(shè)計,如圖4所示。在驅(qū)動草圖俯視平面中,以實線繪出內(nèi)主筋折彎后輪廓,沿Y向拉伸出實體。在正視平面中,以構(gòu)造線繪出內(nèi)主筋與底板切邊線輪廓,再以實線繪制內(nèi)主筋折彎后的實際正視圖尺寸,沿Z向反向拉伸切除,得到一個非板料模型;最后進(jìn)行鈑金工藝,做出折彎后的板料。

圖4 內(nèi)主筋建模步驟圖Fig.4 Modeling procedure of internal main reinforcement

在內(nèi)主筋建模過程中,圖4中尺寸a與尺寸b為試驗性給值,在建立三維設(shè)計的模型可視性基礎(chǔ)上,反復(fù)以1 mm為單位增加(減小)數(shù)值測試干涉與間隙,最終得出最佳尺寸。通過間隙驗證(圖5(a)、5(b)、5(c))發(fā)現(xiàn),本示例設(shè)計產(chǎn)品存在兩處間隙,間隙量分別為0.01 mm與0.30 mm;通過干涉檢查(圖5(d))發(fā)現(xiàn),本示例設(shè)計產(chǎn)品存在1處干涉,干涉量為5 mm3。存在的間隙量與干涉量均不影響實際生產(chǎn),符合加工要求。

目前,此類新型三維建模方式與出圖已解決了某公司關(guān)于兩個折彎板件之間搭接出圖不精確的歷史性問題,使得圖紙的精確度大幅度提高,同時此設(shè)計方法簡單易學(xué),有一定的應(yīng)用價值。但是,這種建模方式也有明顯的缺點,如尺寸a與尺寸b(圖4)的不確定性,目前全部依賴于設(shè)計員的經(jīng)驗與試驗,需要重復(fù)地修改、比對和校驗。因為尺寸沒有明確的可靠依據(jù),不能形成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方法,這樣耗時耗力,會影響產(chǎn)品設(shè)計的效率。另外,這種建模方式需要具有一定設(shè)計經(jīng)驗的技術(shù)研發(fā)人員?；谝陨蠁栴},又對此進(jìn)行了第二次改進(jìn)優(yōu)化。

(a)間隙驗證1

(b)間隙驗證2

(c)間隙驗證3

(d)干涉檢查2

2.2 第二次改進(jìn)

基于以上建?；A(chǔ),底板的建模方法合理且完善,需要提升內(nèi)主筋建模的合理性并提高其效率,因此以內(nèi)主筋的建模作為突破口,做出如下優(yōu)化,見圖6。

圖6 內(nèi)主筋建模優(yōu)化步驟圖Fig.6 Optimization procedure of inner main reinforcement modeling

1)在驅(qū)動草圖俯視平面中,以實線繪出內(nèi)主筋折彎后輪廓,沿Y向拉伸出實體。

2)在正視平面中以實線繪出內(nèi)主筋非折彎區(qū)域輪廓,大腳處折彎部分暫不處理,沿Z向反向拉伸切除,得到一個非板料模型。

3)以正視平面繪制出底板內(nèi)輪廓線段,并進(jìn)行線條拉伸形成一個曲面。

4)以底板與內(nèi)主筋的俯視搭接線為基準(zhǔn),建立垂直于地面的基準(zhǔn)面。

5)將上述步驟中的曲面投影至該基準(zhǔn)面上,形成底板與內(nèi)主筋實際搭接線,沿該基準(zhǔn)面垂直拉伸切除,并做相應(yīng)圓角處理。

6)最后,進(jìn)行鈑金工藝,做出折彎的板料。

針對此建模方式進(jìn)行間隙驗證,如圖7(a)所示,由圖可知本示例設(shè)計產(chǎn)品沒有產(chǎn)生間隙。干涉檢查結(jié)果,如圖7(b)所示。本示例設(shè)計產(chǎn)品產(chǎn)生兩處干涉,干涉量分別為4 mm3和0.3 mm3，干涉量較小并不影響實際生產(chǎn),符合加工生產(chǎn)要求。上述改進(jìn)成功地解決了尺寸的繁瑣試驗,大大提高了建模效率,并成功應(yīng)用于某公司生產(chǎn)的多型支架,大大降低了此類底座前端的現(xiàn)場修割率。

圖7 改進(jìn)后間隙驗證與干涉檢查Fig.7 Clearance verification and interference checking after optimization

2.3 展平出圖

基于Solidworks對以上建模設(shè)計折彎件進(jìn)行展平出圖,與改進(jìn)前工程圖對比,改進(jìn)后的出圖更加明確詳細(xì),不僅反映了完成折彎后的板件狀態(tài),同時完成了下料工作時的輪廓尺寸,滿足了所有的加工需求。

3 整體分析

本文建模設(shè)計方法的優(yōu)化及仿真模擬實驗均基于Solidworks三維設(shè)計軟件,建模方法為Top-Down設(shè)計,主要針對液壓支架底座前端內(nèi)主筋采用單折彎,且底板采用雙折彎的設(shè)計建模。據(jù)不完全統(tǒng)計,此類設(shè)計的支架約占井下實際使用支架種類的72%,生產(chǎn)過程中底座的現(xiàn)場整改率高達(dá)69%。按本文的設(shè)計方法建模出圖之后,整改率低于20%,有效地減少了液壓支架在生產(chǎn)過程中的開支,并減少了人力與時間成本,提高了生產(chǎn)效率。同時,此類設(shè)計一方面可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作,用來規(guī)范設(shè)計員建模設(shè)計方法,增強模型的可修改性;另一方面,還可以為其他相似細(xì)節(jié)部分的設(shè)計提供參考,對以后的設(shè)計工作起一定的指導(dǎo)與借鑒作用。

4 結(jié)論

本文提供了一種關(guān)于液壓支架底座前端內(nèi)主筋采用單折彎,底板采用雙折彎的建模設(shè)計方法,在保證圖紙整體尺寸正確的前提下,同時兼顧到細(xì)節(jié)處的尺寸,極大程度地提高了圖紙的準(zhǔn)確性,改善了下料、折彎、鉚焊的諸多繁瑣工藝,大大減少了板料報廢率。通過干涉檢查與間隙驗證說明模型也更精準(zhǔn)地還原了支架形態(tài),使此處的受力分析情況更加符合實際產(chǎn)品情況。而且,經(jīng)過實際生產(chǎn)與井下工作的檢驗,證實了其方案的可行性,這種方法在機械設(shè)計方面具有較大的應(yīng)用價值,可真正為設(shè)計行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化做出有效貢獻(xiàn)。