張志利

（大同煤礦集團 朔州煤電公司，山西 懷仁 038300）

0 引言

近幾年來，隨著煤礦掘進技術(shù)的發(fā)展，巷道掘進時會在掘進機上安裝前探梁臨時支護，用以緩減巷道空頂區(qū)的支護壓力。頂梁架作為機載支護的重要零部件，其設(shè)計強度能否滿足安全要求至關(guān)重要。在支護時，一旦頂梁架破斷，后果不堪設(shè)想。為此，本文基于Nastran軟件對掘進機機載支護頂梁架進行受力分析。

1 掘進機機載支護工作原理

掘進巷道時，當(dāng)掘進機掘進一段巷道后，掘進面就會產(chǎn)生一段空頂區(qū)域，為了進行空頂區(qū)域的支護，需要在此位置打入錨桿。在沒有任何形式支護的空頂區(qū)域下作業(yè)危險性較大，為此設(shè)計臨時支護，對空頂區(qū)進行支護［1］。當(dāng)掘進機停機后，截割頭置地，通過油缸伸縮使頂梁架與頂板接觸，對空頂區(qū)域進行支護，可減小掘進面迎頭壓力，減少空頂區(qū)域的不安全因素。掘進機機載支護的形式有多種，目前主要使用的有兩種［2］：①將機載支護安裝在掘進懸臂上，該方式利于低巷道的掘進，其支護裝置尺寸小，但作業(yè)時容易遮擋掘進機司機的視線；②將機載支護安裝在機身上，這樣支護伸縮量大，裝置體積較大，不利于中小巷道的使用。根據(jù)大同煤礦集團朔州礦掘進巷道斷面較小的情況，設(shè)計了安裝于掘進臂的支柱裝置。此臨時支護方式設(shè)備體積小，活動靈活，機載支護在支護的同時也將鋼絲網(wǎng)靈活地頂在頂板上，此時工人在機載支護下面對頂板進行錨桿、錨索施工作業(yè)，極大地方便了掘進巷道支護作業(yè)。

在機載支護作業(yè)過程中，頂梁架直接受到頂板的作用力，是整個機構(gòu)中的關(guān)鍵受力部件，機載支護機構(gòu)如圖1所示。頂梁一般以方鋼或工字鋼作為結(jié)構(gòu)件鋼材［3］，本頂梁架利用方鋼為基礎(chǔ)材料，通過焊接而成，設(shè)計支護面積為1.2 m×1.5 m，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，其中液壓系統(tǒng)最大壓力為16 MPa［4］。頂梁焊接成鋼架結(jié)構(gòu)，在鋼架處安裝磁鐵（圖2的黑色點處為磁鐵的安裝位置）。這樣在巷道掘進過程中，工人在頂梁架上鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，在機載支護升降過程中，磁鐵對鋼絲網(wǎng)吸引，使得鋼絲網(wǎng)平整地鋪設(shè)在頂板上，提高了掘進巷道的成形質(zhì)量。當(dāng)頂梁架支撐在頂板上后，作業(yè)人員可以在鋼架間的空隙處打入錨桿，方便巷道的掘進和支護。整機關(guān)鍵部件配置參數(shù)如表1所示。

圖1 機載支護機構(gòu)

圖2 頂梁架結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 支護頂梁架力學(xué)分析

2.1 支護頂梁架受力分析

掘進機機載支護在支護頂板時，頂梁架與頂板直接接觸，頂梁架主要受到頂板的壓力，方向向下，垂直于接觸面，載荷為q。頂梁架主要通過支撐油缸和升降油缸進行鋪網(wǎng)和頂板的支護作業(yè)，支撐油缸主要起支撐頂梁架作用，升降油缸不僅起支撐作用，還要與其他油缸配合對頂梁架進行折疊和回收。折疊油缸對頂梁架沒有直接作用力，主要用于機載支護的折疊。由此可見，頂梁架在支護頂板時，在與油缸的鉸接處受到油缸的支撐力F1和F2，方向平行于油缸方向，與頂板壓力力矩平衡，如圖3所示。

表1 整機關(guān)鍵部件配置參數(shù)表

圖3 頂梁架受力圖

2.2 基于Nastran支護頂梁架分析計算

Nastran是計算機輔助工程軟件，也是較為常見的有限元求解器，可以與眾多CAD軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。UG將Nastran集成，可以將UG設(shè)計模塊與有限元分析計算模塊融為一體，極大地方便了設(shè)計與分析。本設(shè)計就是通過UG Nastran模塊，對頂梁架進行力學(xué)分析，以驗證所設(shè)計的頂梁架是否達到對空頂區(qū)的支護要求。

頂梁架質(zhì)量為76 kg，初步設(shè)計支撐重量為25 k N。為了模擬巷道支護的實際狀況，以實際尺寸在UG中建立頂梁架的三維模型。UG Nastran與UG可以實現(xiàn)無縫鏈接，將UG模型導(dǎo)入Nastran后，對頂梁架模型進行網(wǎng)格劃分，選擇四面體單元劃分有限元網(wǎng)格（網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm），并將材料力學(xué)性能賦予頂梁架模型中。

頂梁架鋼材的彈性模量為200 GPa；泊松比為0.27；密度為7 900 kg／m3；抗拉強度為600 MPa；頂梁架設(shè)計要求安全系數(shù)為3。

以機載支護頂梁架承受25 k N的壓力進行設(shè)計，作用面為頂梁架與巷道頂板接合處，以機載支護最大展開角度進行分析。頂梁架與油缸主要有4處鉸接，當(dāng)機載支護支撐頂板時垂直載荷與4處鉸接點的受力F1（兩處）和F2（兩處）達到力矩平衡。在Nastran中，為頂梁架模型施加垂直于頂梁架頂板接觸面且大小為25 k N的力，均勻分布于頂梁架方鋼接觸面，方向豎直向下。在油缸與頂梁架鉸接處施加120°（升降油缸鉸接處）和110°（支撐油缸鉸接處）方向的簡支約束。

通過UG Nastran軟件強大的后處理功能，對機載支護頂梁架自動進行應(yīng)力分析計算［5］，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：頂梁架最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在掘進機機載支護的升降油缸處，應(yīng)力大小（正應(yīng)力）為186.9 MPa。頂梁架實際使用過程中也顯示，彎曲易發(fā)生在升降油缸處，彎曲位置與理論計算較為一致。頂梁架所用45方鋼抗拉極限強度為600 MPa，在巷道環(huán)境中和在安全系數(shù)為3的情況下可滿足使用要求。

圖4 頂梁架應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

巷道掘進時，掘進巷道工作面迎頭臨時支護安全性一直是煤礦需要解決的主要問題。掘進機機載支護可以極大地提高掘進的安全性，而頂梁架是否能滿足支護的要求，決定著迎頭臨時支護的安全性和掘進效率。本文對頂梁架進行有限元分析，理論上校核了其安全性。在有限元分析計算時，為了使結(jié)果更加符合實際，應(yīng)在有限元軟件中進行如下設(shè)置：

（1）在簡化的同時應(yīng)對零件模型主體結(jié)構(gòu)進行真實尺寸的建立。

（2）網(wǎng)格劃分時，主體結(jié)構(gòu)達到中等精度，與油缸鉸接處和估計最大應(yīng)力分布處可以進行細化。對鉸接處的約束類型選簡支約束。

（3）對應(yīng)力集中處，可焊接加強筋來加固頂梁架，以提高其支護強度。

［1］ 焦軍鋒.工字鋼巷道掘進機機載支護裝置的設(shè)計與應(yīng)用［J］.河北煤炭，2011（1）：32－35.

［2］ 高春花.2種形式掘進機機載支護的差異分析［J］.煤礦機械，2009（5）：85－86.

［3］ 王宏奇，焦其峰.EBZ－100型掘進機機載臨時支護器的設(shè)計［J］.河北煤炭，2007（3）：30－31.

［4］ 簡博.掘進機機載液壓臨時支護的研制與應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2007（7）：9－10.

［5］ 李立友，李芳，袁旦.基于Nastran的汽車轉(zhuǎn)向危險工礦有限元分析［J］.機電工程，2010（3）：38－40.