袁文豐，張紅飛

(山西三元福達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300)

在煤礦井下安裝和拆卸瓦斯管路的過程中，目前所采用的仍然是手拉葫蘆等簡易的起吊工具[1]，導(dǎo)致安裝和拆卸的工藝流程復(fù)雜且效率低，工人不僅承受了較高的勞動(dòng)強(qiáng)度而且在安裝和拆卸過程中的安全性也得不到保障。為了解決上述問題，張兵提出了一種新穎的井下瓦斯抽放管路系統(tǒng)的吊掛施工方法[2]，但是這種方法并未從根本上解決瓦斯管路安裝和拆卸過程中出現(xiàn)的問題。因此，迫切需要研制出一種能夠在有限的井下空間中進(jìn)行瓦斯管路安裝和拆卸的專用起重設(shè)備，該設(shè)備應(yīng)力求輕便、高效且可移動(dòng)，這樣不僅可降低勞動(dòng)強(qiáng)度確保安全生產(chǎn)，而且可以提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

基于上述需求，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)式瓦斯管路拆裝起重設(shè)備，見圖1，2，該設(shè)備是從傳統(tǒng)的剪式舉升機(jī)[3-5]演化、改造而來，該設(shè)備能夠克服當(dāng)前在井下瓦斯管路拆卸中所出現(xiàn)的突出問題，不僅可以滿足企業(yè)的需求，而且對人身安全提供了一定的保障，考慮到煤礦井下安全性的要求，該設(shè)備通過液壓進(jìn)行傳動(dòng)。首先采用經(jīng)典的力學(xué)方法對瓦斯管路專用拆卸設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了結(jié)構(gòu)在最危險(xiǎn)工況下的危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力情況，結(jié)構(gòu)分析過程采用了有限元分析方法，將待分析模型分解成兩個(gè)單元，單元之間通過節(jié)點(diǎn)相連，并建立了平面梁單元的本構(gòu)方程，通過計(jì)算可知結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，且具有較大的設(shè)計(jì)余量。

圖1 可移動(dòng)式瓦斯管路拆裝起重設(shè)備主視圖

圖2 可移動(dòng)式瓦斯管路拆裝起重設(shè)備左視圖

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)

可移動(dòng)式瓦斯管路拆裝起重設(shè)備的結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由兩個(gè)剪式的舉升結(jié)構(gòu)組成，并由液壓缸提供動(dòng)力。下面將對該結(jié)構(gòu)在最危險(xiǎn)工況下的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析，以確保整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。該設(shè)備最大可將瓦斯管舉升3.2 m，將瓦斯管舉至最高點(diǎn)時(shí)的工況見圖1，此時(shí)，支撐臂同水平面的夾角達(dá)到極限為α=60°.

確定本設(shè)計(jì)的最危險(xiǎn)工況為將瓦斯管舉升至最高點(diǎn)時(shí)的情況，在此工況下需考慮載荷的偏心作用。因此，假設(shè)所有的載荷(一根瓦斯管的重量1 000 kg)全部集中在一根支撐臂上。此時(shí)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型見圖3，支撐臂結(jié)構(gòu)所選材料為Q345.

圖3 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型圖

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)力學(xué)模型，可將該結(jié)構(gòu)所承受的載荷分解成兩部分，一部分是沿著軸線方向的載荷Fl，一部分為垂直于軸線方向的載荷Fv，其中Fl=F·sinα，F(xiàn)v=F·cosα. 下面將分別基于上述兩個(gè)方向的載荷對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于傳統(tǒng)有限元理論的分析。

結(jié)構(gòu)承受軸線方向載荷可參照力學(xué)的方法進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：

A—支撐臂橫截面積，A=b·h；

b—支撐臂橫截面寬，mm，取20；

h—支撐臂橫截面高，mm，取100.

下面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于垂直方向載荷的有限元理論分析和相應(yīng)公式的推導(dǎo)。

2.1 結(jié)構(gòu)的離散化和編號

圖4所示為結(jié)構(gòu)在僅承受垂直與軸線方向載荷的有限元模型，將該結(jié)構(gòu)離散化為兩個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)位移及單元編號見圖5，支撐臂的參數(shù)為：E=200 GPa.

圖4 垂直于軸向方向結(jié)構(gòu)力學(xué)模型圖

圖5 節(jié)點(diǎn)位移及單元圖

假設(shè)3個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移分別為c，則節(jié)點(diǎn)位移列陣為：

q=[v1θ1v2θ2v3θ3]T

(2)

對分布載荷進(jìn)行等效節(jié)點(diǎn)載荷計(jì)算，則有節(jié)點(diǎn)載荷列陣：

P=[Ry1Mθ1Ry2Mθ2FVMθ3]T

(3)

式中:

Ryi—由外載荷的作用而引起的節(jié)點(diǎn)力(i=1,2,3)；

Mθi—由外載荷的作用而引起的節(jié)點(diǎn)彎矩(i=1,2,3)，且Mθ3=0，Mθ2=Fv·l.

2.2 計(jì)算各個(gè)單元的剛度矩陣

(4)

式中：l—單元長度，mm，取923.76；

Iz—慣性矩。

根據(jù)式(4)中剛度矩陣的一般形式，可計(jì)算出各個(gè)單元的剛度矩陣如下：

2.3 建立整體剛度方程

組裝整體剛度方程并形成整體剛度方程為：

K·q=p

(5)

K=K(1)+K(2)

(6)

K=K(1)+K(2)=

則整體剛度方程為：

(7)

2.4 邊界條件求解

根據(jù)對本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的描述，該問題的邊界條件為：

v1=0，v2=0

將邊界條件的數(shù)值帶入式(7)的整體剛度方程中，經(jīng)化簡后可得：

Ry1=Fv，Ry1=-2Fv，Mθ1=0，Mθ2=Fv·l

2.5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)計(jì)算可知，支撐臂所承受的最大彎矩為Mθ2，承受最大彎矩的位置為支撐臂的中間截面，因此，中間截面為最危險(xiǎn)的截面，下面對中間截面所承受的載荷進(jìn)行計(jì)算：

軸向應(yīng)力計(jì)算：

彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算：

應(yīng)力合成：

σ=σl+σv=142.89 MPa

結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力，對于Q345，其許用應(yīng)力的計(jì)算如下所示：

因此，σ<[σ]，證明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)的安全余量較大可進(jìn)一步采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種能夠在煤礦井下進(jìn)行瓦斯管路裝卸和安裝的專用設(shè)備，該設(shè)備能夠充分地利用井下空間，具有效率高的優(yōu)點(diǎn)。從設(shè)備的結(jié)構(gòu)安全性為出發(fā)點(diǎn)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析和應(yīng)力計(jì)算，本文的計(jì)算過程采用了基于有限元的理論分析方法，將結(jié)構(gòu)劃分成兩個(gè)梁單元，通過建立梁單元的剛度方程并組合求解，可計(jì)算出結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，且具有較大的安全余量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李 增.煤礦井下斜巷瓦斯管路吊掛安裝技術(shù)的應(yīng)用[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì), 2015(34): 275.

[2] 張 兵. 井下瓦斯抽放管路系統(tǒng)吊掛施工方法[J]. 山西建筑, 2014(28): 86-87.

[3] 顧金華. 超薄雙層大剪舉升機(jī)設(shè)計(jì)研究[J]. 科技展望, 2016, 26(32)：16-17.

[4] 黃火輝. 關(guān)于汽車舉升機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2017, 30(1): 50-52.

[5] 王 禹, 孫 宇, 武 凱. 分離式便攜汽車舉升機(jī)剛度與強(qiáng)度分析[J]. 機(jī)械與電子, 2016, 34(7):34-37.