王開(kāi)軍

（國(guó)投新集能源股份有限公司口孜東礦，安徽 淮南232001）

0 引言

隨著綜采工作面生產(chǎn)能力和推進(jìn)速度的提高，很多礦井都存在采掘接替緊張現(xiàn)象，采掘巷道的機(jī)械化快速掘進(jìn)和支護(hù)成為礦井高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)械化掘進(jìn)具有連續(xù)掘進(jìn)、工序少、效率高、速度快、施工安全、勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)而得到普遍使用，但配套的支護(hù)構(gòu)建架設(shè)作業(yè)仍采用傳統(tǒng)人工作業(yè)方式，速度慢、安全系數(shù)低，制約了掘進(jìn)速度的提高[1]。為此設(shè)計(jì)了新型巷道架棚機(jī)，實(shí)現(xiàn)了煤礦巷道棚梁支護(hù)的機(jī)械化作業(yè)，降低作業(yè)循環(huán)時(shí)間，加快掘進(jìn)速度，從而緩和目前巷道掘進(jìn)普遍存在的采掘失調(diào)矛盾現(xiàn)象[2]。主梁是架棚機(jī)最關(guān)鍵的部件之一，是工作平臺(tái)支撐裝置、架棚梁支撐裝置及油箱的主要承載裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到架棚機(jī)能否安全穩(wěn)定的工作。因此，本文利用ANSYS軟件對(duì)某新型巷道架棚機(jī)主梁進(jìn)行了有限元分析，檢驗(yàn)主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度，為架棚機(jī)主梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 新型巷道架棚機(jī)簡(jiǎn)介

新型巷道架棚機(jī)集機(jī)械化作業(yè)、支護(hù)、運(yùn)輸為一體，它利用巷道的頂部空間，吊掛在巷道頂部的單軌構(gòu)件上，可以與綜掘裝備聯(lián)合作業(yè)。該設(shè)備的主要特點(diǎn)為：

1）由于該設(shè)備吊掛在巷道U型鋼單軌上，故其運(yùn)行與巷道底板條件無(wú)關(guān)，不受巷道底板工況的影響；

2）該設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，可滿(mǎn)足煤礦井下轉(zhuǎn)彎半徑在6m以上的水平巷道或者坡度小于15°的傾斜巷道的掘進(jìn)支護(hù)作業(yè)；

3）該設(shè)備在確保了井下支護(hù)安全作業(yè)的同時(shí)，提升了掘進(jìn)、支護(hù)架設(shè)作業(yè)的機(jī)械化水平，提高了掘進(jìn)的效率，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；

4）該設(shè)備可以對(duì)新暴露頂板和側(cè)幫等進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，但沒(méi)有配置迎頭防護(hù)盾裝置，不能有效的對(duì)掘進(jìn)工作面迎頭處的巖石進(jìn)行安全、自動(dòng)的防護(hù)。

2 主梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇

主梁是整個(gè)新型巷道架棚機(jī)設(shè)備最關(guān)鍵的部件之一，是工作平臺(tái)支撐裝置、架棚梁支撐裝置及油箱的主要承載裝置，也是連接行走部分和工作部分的關(guān)鍵性部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。確保強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的前提下，考慮到成本和結(jié)構(gòu)輕量化，主梁采用了對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可拆卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。該主梁結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用了對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了新型巷道架棚機(jī)整體安全性和穩(wěn)定性。

2）整采用了可拆卸性設(shè)計(jì)，方便主梁運(yùn)輸和零部件維修更換。

3）采用輕量化設(shè)計(jì)的原則，結(jié)構(gòu)上大部分焊接件均為板件，充分利用材料的強(qiáng)度、剛度且減輕了重量。

考慮到主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要性，主梁的材料采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q550，其具有較高的屈服強(qiáng)度，良好的焊接性能和冷加工性能，廣泛應(yīng)用于建筑、船舶、高壓容器、管材、線材、車(chē)輛、工程機(jī)械等[3-4]。Q550彈性模量2.09×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3，屈服強(qiáng)度為550MPa。

3 主梁有限元分析

3.1 有限元模型的建立

為了使主梁模型后期在ANSYS-Workbench中能夠快速劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格，必須對(duì)主梁一些不必要的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如尺寸較小的倒角、圓角和螺紋孔等。利用SoildWorks建立主梁簡(jiǎn)化三維模型，另存為通用格式，并將其導(dǎo)入到ANSYS-Workbench模塊中，然后加載Q550材料屬性，最后選取Solid186單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，得到如圖2所示的主梁有限元模型。

圖1 主梁結(jié)構(gòu)圖

圖2 主梁有限元模型圖

3.2 約束和載荷加載

主梁在煤礦巷道架棚支護(hù)作業(yè)中，主梁前后兩端鉸接孔固定不動(dòng)，故在靜力學(xué)強(qiáng)度分析中，應(yīng)將鉸接孔施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向上的位移約束。在架棚機(jī)正常架棚支護(hù)作業(yè)中，主梁受到迎頭防護(hù)盾、架棚梁支撐裝置重力和工作平臺(tái)上的載荷引起的扭矩，其受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。主梁受到迎頭防護(hù)盾、架棚梁支撐裝置重力為60kN，其作用點(diǎn)距主梁左端固定點(diǎn)為5.8m。其次，主梁受到工作平臺(tái)的載荷為90kN，其作用點(diǎn)距主梁左端固定點(diǎn)為2.2m。為了方便在主梁上加載載荷，需要對(duì)其所受載荷進(jìn)行適當(dāng)?shù)刃Ъ昂?jiǎn)化。根據(jù)力矩平衡原理，主梁受到的力等效為大小分別為450kN、150kN的兩個(gè)力，其作用點(diǎn)離主梁左端固定點(diǎn)距分別為0.6m、2.2m。

故在分析過(guò)程中，只需加載450kN和150kN的力即可。此外，由于主梁結(jié)構(gòu)尺寸和重量較大，還需要考慮主梁自身重力的影響。完成上述過(guò)程，可以得到如圖4所示的主梁約束和載荷加載圖。

圖3 主梁受力簡(jiǎn)圖

圖4 主梁約束和載荷加載圖

3.4 結(jié)果分析

提取出應(yīng)力以及位移分析云圖如圖5和6所示。

圖5 應(yīng)力云圖

圖6 位移云圖

由應(yīng)力云圖可知，主梁最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在主梁后端的鉸接孔處，其應(yīng)力值為487.99MPa，小于材料Q550的屈服強(qiáng)度550MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。由位移云圖可知，主梁最大位移發(fā)生在主梁兩段的側(cè)翼上，其位移值為2.9311mm，符合設(shè)計(jì)要求，并且主梁整體變形比較均勻，無(wú)變形突變點(diǎn)[6]。但本設(shè)計(jì)主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)為1.12，下一步還需要對(duì)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，可采取對(duì)主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱點(diǎn)處的部件增加厚度、焊接加強(qiáng)筋等措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

主梁作為架棚機(jī)主要受力承載件，關(guān)系到整機(jī)設(shè)備的安全與可靠性，因此對(duì)主梁的強(qiáng)度和安全性能要求很高，所以在完成主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要利用ANSYS軟件對(duì)支撐臂進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析。通過(guò)對(duì)主梁進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析得到，主梁的最大應(yīng)力為487.99MPa，未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度值550MPa；主梁最大位移發(fā)生在主梁兩段的側(cè)翼上，其位移值為2.9311mm，且主梁整體變形比較均勻、無(wú)變形突變點(diǎn)，符合設(shè)計(jì)要求。下一步應(yīng)對(duì)主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了主梁結(jié)構(gòu)合理改進(jìn)措施，以減小應(yīng)力，增大主梁的安全系數(shù)。為主梁臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，也有助于后期對(duì)巷道架棚機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

［1］程居山.礦山機(jī)械[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1997.

［2］徐鎖庚.綜掘工作面機(jī)載式臨時(shí)護(hù)頂機(jī)的設(shè)計(jì)研究[J].煤礦機(jī)械,2008(5):1-3.

［3］伍玉嬌.金屬材料學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2011.

［4］張曉燕.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2009.

［5］曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

［6］陳清華,潘地林.帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2004(1):12-15.