程富明，韓忠利，劉建勝，曹秀龍，韓曉明，魯忠良

（1.霍州煤電集團(tuán) 河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043300；2.霍州煤電集團(tuán) 晉南公司機(jī)電處，山西 河津 043300；3.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

煤礦生產(chǎn)中放頂煤生產(chǎn)工藝的采煤工作面上下2個(gè)煤巷主要是沿煤層底板掘進(jìn)，而綜掘工作面迎頭巷道采用的臨時(shí)支護(hù)是1種極為有效的提高掘進(jìn)效率和現(xiàn)場(chǎng)安全性的掘進(jìn)工藝。由于掘進(jìn)機(jī)截割工作的特點(diǎn)決定了掘進(jìn)工作面必然有一定的空頂距存在，且空頂區(qū)域頂板應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜。如采用臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行及時(shí)有效的支護(hù)，可以避免傳統(tǒng)工藝中每截割出1個(gè)許用空頂距長(zhǎng)頂板就必須使用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行巖體加固作業(yè)的問(wèn)題，減小綜掘機(jī)械工作時(shí)的擾動(dòng)、錨桿支護(hù)時(shí)的應(yīng)力變化和頂板自身壓力變化對(duì)巷道圍巖變形、位移和破裂的影響[1-4]。

在錨網(wǎng)支護(hù)中使用傳統(tǒng)前探梁臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行絞頂作業(yè)時(shí)，通常采用特制的梁爪、鋼管、大板和木楔對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，作業(yè)人員完全處于空頂下作業(yè)，空頂時(shí)間太長(zhǎng)，不能及時(shí)對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，而且傳統(tǒng)前探臨時(shí)支護(hù)在頂板來(lái)壓時(shí)沒(méi)有初撐力，不能及時(shí)有效地控制頂板，絞接頂后，對(duì)頂板的初撐力又無(wú)法滿足。為此，在煤礦綜掘工作面使用的掘進(jìn)設(shè)備基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)與其配套的托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架支護(hù)技術(shù)及設(shè)備[5-9]，即：托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割新裸露頂板的及時(shí)支護(hù)，即無(wú)空的頂板，又?jǐn)U大了頂板的支護(hù)面積；即臨時(shí)保護(hù)作業(yè)空間內(nèi)人員及設(shè)備的安全，又使很多工藝又可平行作業(yè)，縮短支護(hù)的作業(yè)時(shí)間，提高掘進(jìn)支護(hù)作業(yè)效率，加快掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)速度。為了保證施工的掘進(jìn)工作面的工人安全，利用Solidworks軟件對(duì)制造的托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架進(jìn)行了校核及分析，證明新研制的托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架是安全和可靠性的。

1 托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架簡(jiǎn)介

1種綜合機(jī)械化掘進(jìn)內(nèi)伸縮頂梁（201920882002.6）[10]在2020年3月27日獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)，托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架是基于本專利的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成。

托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架是由內(nèi)架總成、外架總成、內(nèi)、外支腿油缸、行走油缸、糾偏油缸，輔架、液壓管路和液壓系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 A frame of the overall structure

外架總成是由外架框架、滑輪總成，支腿油缸等組成，外架總成如圖2。外架框架是由材質(zhì)為Q235-A、16#工字鋼焊接而成，支腿柱子是由10#方管焊接而成。外架總成是由油缸來(lái)執(zhí)行動(dòng)作，外架可升高或降低，外架在工作前，先把錨網(wǎng)鋪在外架上面，由外架將錨網(wǎng)送到頂板位置，進(jìn)行支護(hù)工作。

圖2 外架總成Fig.2 The overall diagram of external support

3）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的數(shù)量要適中，如果劃分的網(wǎng)格密度太大，就會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求高，計(jì)算機(jī)進(jìn)行劃分的時(shí)間就會(huì)太長(zhǎng)，如果劃分的網(wǎng)格密度太小，那么計(jì)算后的精度會(huì)降低，劃分網(wǎng)格后的結(jié)構(gòu)如圖7。

圖3 內(nèi)架總成Fig.3 The overall diagram of inner support

2 托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架的建模及有限元分析

在框架頂部上端面的前部承受負(fù)載的工況下，模型應(yīng)力應(yīng)變情況分別如圖9。

2.1 模型建立

Solidworks是Windows環(huán)境下的一款用于三維設(shè)計(jì)的軟件，因其具有簡(jiǎn)單方便的操作界面和可以輕易掌握的操作方式而被廣泛應(yīng)用于零件的建模設(shè)計(jì)。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是Solidworks的3大特點(diǎn)，Solidworks也因此成為人們?cè)谶M(jìn)行三維CAD設(shè)計(jì)時(shí)的首要選擇軟件。

Solidworks運(yùn)用參數(shù)化和特征造型技術(shù)，可以快捷的建立各種復(fù)雜的實(shí)體結(jié)構(gòu)、迅速的將零件裝配形成裝配體并可以簡(jiǎn)單方便的得到裝配工程圖。同時(shí)Solidworks也可以對(duì)裝配完成后的裝配體進(jìn)行干涉檢測(cè)、碰撞檢測(cè)、生成爆炸圖、生成運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)等：運(yùn)用Solidworks中的插件還可以進(jìn)行管道設(shè)計(jì)、工程分析、高級(jí)渲染、數(shù)控加工等[17-19]。

在機(jī)械設(shè)計(jì)及其制造過(guò)程的中，機(jī)械工程的設(shè)計(jì)、制造和裝配的基礎(chǔ)就是三維實(shí)體模型的建立，首先來(lái)建立1個(gè)符合要求的，運(yùn)動(dòng)靈活的三維實(shí)體模型是虛擬裝配和干涉檢查以及后續(xù)有限元分析的基礎(chǔ)。

利用Solidworks三維實(shí)體建模軟件對(duì)快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和零部件選型進(jìn)行三維的實(shí)體結(jié)構(gòu)建模。使用Solidwork建立三維模型的基本原則是先草繪出二維的圖形，再利用尺寸幾何約束和配合幾何約束，并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)，掃描，拉伸，剪切，倒圓角等方式生成三維模型圖。幾何約束是用來(lái)確保所畫(huà)的圖形在草繪平面上具有正確的位置，尺寸約束是用來(lái)確保在草繪平面上所畫(huà)的圖形正確。

4個(gè)麥克風(fēng)的空間位置分別為Mic1(L/2,0,0)、Mic2(0,L/2,0)、Mic3(-L/2,0,0)、Mic4(0,-L/2,0)。其中p代表聲源,其坐標(biāo)為(x,y,z)。聲源到各麥克風(fēng)的距離分別為r1、r2、r3、r4,假設(shè)聲信號(hào)以球面波方式進(jìn)行傳播,聲信號(hào)到達(dá)陣列中各麥克風(fēng)的時(shí)間分別為t1、t2、t3、t4。而Mic1、Mic2、Mic3、Mic4相對(duì)于Mic1的傳播時(shí)延分別是τ21、τ31、τ41。其中r、θ(0°≤θ≤90°)、φ(0°≤φ≤360°)分別表示聲源到原點(diǎn)的距離、俯仰角和方位角,C為聲速。

然后再利用Solidworks的裝配功能來(lái)進(jìn)行虛擬的裝配并且一定要保證它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系而且還不能產(chǎn)生干涉。在裝配時(shí)，首先要分析出支架的各種零部件之間的裝配關(guān)系，然后再根據(jù)給定的關(guān)系進(jìn)行自由度約束，最終將零部件安裝在正確的位置上。

由于裝配過(guò)程非常的麻煩且復(fù)雜，所以特別在總體裝配的過(guò)程中設(shè)置了子裝配，可以對(duì)垂直立柱和水平液壓缸進(jìn)行子裝配，把它們都裝配完成后再進(jìn)行總體裝配，這樣可以大大減少總體裝配的時(shí)間，提高裝配效率，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)收益。

在裝配時(shí)，可以充分地利用Solidworks的裝配功能進(jìn)行自由度約束，使得部分零部件能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于比較復(fù)雜的裝配體，其裝配過(guò)程如圖4。

圖4 裝配方法圖Fig.4 Schematic of the assembly method

利用圖4所示的裝配方法對(duì)快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的零部件和它的整體架構(gòu)進(jìn)行裝配。快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備模型如圖5。

圖5 快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備模型Fig.5 The temporary support model for rapid tunneling

2.2 有限元分析

ANSYS/workbench是在原有經(jīng)典的ANSYS的工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上新產(chǎn)生的CAE仿真設(shè)計(jì)環(huán)境。workbench的工程設(shè)計(jì)界面更為友好，使得設(shè)計(jì)者更為直觀的理解和進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。它包含了眾多的優(yōu)化工程設(shè)計(jì)所需要的方法和模塊，例如被廣泛使用的有限元分析的工程設(shè)計(jì)模塊等，可以很好的實(shí)現(xiàn)與CAD之間的各種無(wú)縫數(shù)據(jù)共享和信息傳遞，ANSYS/workbench整合了ANSYS的一些非常實(shí)用的工程設(shè)計(jì)功能，能夠使前后處理操作和各項(xiàng)分析更加的簡(jiǎn)單便捷可靠。ANSYS/workbench的一些比較突出的特點(diǎn)如下。

(1)推進(jìn)實(shí)踐改革。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和全球經(jīng)濟(jì)一體化的迅猛推進(jìn)，高校畢業(yè)生就業(yè)問(wèn)題面臨著諸多挑戰(zhàn)，可喜的是挑戰(zhàn)中又孕育著眾多機(jī)遇。學(xué)校通過(guò)校企合作的模式，讓學(xué)生到企業(yè)親身體會(huì)和實(shí)踐。

1）雙向互動(dòng)能力強(qiáng)。ANSYS/workbench軟件可以與其他同類的行業(yè)軟件緊密的進(jìn)行銜接，可以很方便的進(jìn)行軟件模型的直接導(dǎo)入，而且在目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)的同行業(yè)軟件模型導(dǎo)入軟件直接導(dǎo)入模型失敗的這種情況很少。

2）劃分網(wǎng)格能力強(qiáng)。ANSYS/workbench具有自動(dòng)劃分網(wǎng)格的能力，它的劃分網(wǎng)格的能力十分強(qiáng)大，而且能節(jié)省使用者很多時(shí)間。

3）強(qiáng)大的自動(dòng)識(shí)別能力。以往的裝配軟件在進(jìn)行人工操作和建立各部件接觸關(guān)系的2個(gè)方面都會(huì)都非常麻煩，但是Ansy s/w orkbench在操作和裝配方面具有強(qiáng)大的功能和易用性，它在裝配時(shí)可以很方便地自動(dòng)識(shí)別周圍各個(gè)零部件的位置和接觸關(guān)系，節(jié)省了大量的人工和時(shí)間，該軟件本身自帶了許多操作和編輯的工具，操作裝配時(shí)就可以很方便地手動(dòng)編輯各部件的接觸面。

1.4 效果評(píng)價(jià) 分別在手術(shù)完成減壓后、減壓后2 h觀察患肢局部皮膚損傷狀況。止血帶損傷判斷標(biāo)準(zhǔn):優(yōu)，減壓后皮膚輕微壓痕紅腫，無(wú)水皰，肢體血運(yùn)立即恢復(fù);良，皮膚明顯壓痕紅腫，伴或不伴有少量小水皰，肢體血運(yùn)立即恢復(fù);差，減壓后皮膚大量水皰，部分破潰，肢體淤血性腫脹。

1）模型導(dǎo)入。根據(jù)快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的工作原理，將簡(jiǎn)化后的框架模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備簡(jiǎn)化模型如圖6。

2.3 模型導(dǎo)入及設(shè)置

ANSYS/workbench的主要原理：將所要進(jìn)行分析的節(jié)點(diǎn)和受力體關(guān)系看作是由具有無(wú)數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)和無(wú)限小的受力體單元所連接構(gòu)成的集合，該單元集合中各點(diǎn)之間的位移都存在著某種邊界聯(lián)系，物體主要靠這些點(diǎn)進(jìn)行力的接受和傳遞。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位移和加入節(jié)點(diǎn)之間的位移邊界關(guān)系條件來(lái)首先建立1個(gè)加入節(jié)點(diǎn)的平衡位移方程式，再根據(jù)加入節(jié)點(diǎn)的位移和邊界關(guān)系條件對(duì)平衡位移方程組的形式進(jìn)行求解。

從制作最初始的量角器到嘗試度量角的大小碰到量角的不方便，基于量角的需求，到最后完整量角器的誕生，學(xué)生一直在探索，這樣的學(xué)習(xí)充分激活了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，在不斷的創(chuàng)造過(guò)程中不但體會(huì)到一種新的度量工具產(chǎn)生的全過(guò)程，還在矛盾沖突中學(xué)會(huì)了靈活量角的方法。

圖6 快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備簡(jiǎn)化模型Fig.6 The simplified model of temporary support for rapid tunneling

2）選擇材料?？蚣懿捎玫墓ぷ咒摬馁|(zhì)為Q235－A，其密度為7 860 kg/m3，屈服點(diǎn)為235 MPa，楊氏彈性模量為210 GPa，泊松比為0.288。

內(nèi)架總成由內(nèi)架框架，內(nèi)架支腿油缸等組成，內(nèi)架總成如圖3。內(nèi)架總成是由材質(zhì)Q235－A、16＃槽鋼焊接而成，支腿是由8＃方管焊接而成。內(nèi)架總成由內(nèi)架支腿油缸上下工作，其目的是為了把外架撐起來(lái)，讓外架行走自如，內(nèi)架又稱輔助行走架。

圖7 模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing of the model

在超前支護(hù)設(shè)備頂梁承受均勻載荷的情況下，通過(guò)上述結(jié)果可知，根據(jù)頂梁變形分布云圖可以知道產(chǎn)生最大變形的位置是頂梁的中前部，總變形量為4.274 8 mm，根據(jù)頂梁應(yīng)力云圖（圖略）可以看到最大應(yīng)力集中在頂梁的中前部槽鋼聯(lián)接處，最大應(yīng)力為99.349 MPa，而所選擇的材料屈服極限是235 MPa，因此頂梁在均布載荷工況下也是安全的[19]。

客套話有它的存在基礎(chǔ)，但不能太多。我們生活在一個(gè)人際關(guān)系高度黏稠的世界，一切自由都被人際關(guān)系裹挾，必須把見(jiàn)人主動(dòng)說(shuō)話當(dāng)成禮貌，卻從不控制說(shuō)話的質(zhì)量。話語(yǔ)越來(lái)越多，卻越來(lái)越廉價(jià)，它們從溝通的使者變?yōu)閷?shí)用的工具。人們天真地以為，通過(guò)語(yǔ)言的表象就可以達(dá)到溝通的目的，久而久之卻與生命的真實(shí)性漸行漸遠(yuǎn)，讓原本的通途變成一座又一座的巴別塔。

3 仿真結(jié)果

3.1 均布載荷

此外，高校內(nèi)部控制有兩個(gè)特點(diǎn)：其一，參與主體廣泛且主體素質(zhì)較高。參與主體應(yīng)該包括各級(jí)管理層以及全體教職工和學(xué)生。其二，控制制度種類多且缺乏參考標(biāo)準(zhǔn)。除國(guó)家和其他行政事業(yè)單位通行的內(nèi)部控制法規(guī)、制度外，高?？刂浦贫冗€包括特有的獎(jiǎng)助學(xué)金等學(xué)生經(jīng)費(fèi)管理制度，教學(xué)、科研經(jīng)費(fèi)管理制度，學(xué)術(shù)活動(dòng)管理制度以及其他經(jīng)濟(jì)活動(dòng)管理制度等。這些制度缺乏統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)，由各個(gè)大學(xué)自行制定。

框架的上端面承受均布載荷下，模型總變形情況如圖8。

圖8 模型總變形分析云圖Fig.8 The total deformation analysis diagram of the model

4）施加約束和載荷。設(shè)置框架支腿下端面為約束曲面，在框架的頂部端面施加150 kN的載荷。仿真求解后，得到在不同受載工況下模型的應(yīng)力應(yīng)變情況。

3.2 前部受載

托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架在工作時(shí)可能承受較大的壓力，這就要求其不僅要在基本功能上符合要求，同時(shí)在自身強(qiáng)度上也必須符合要求。為此，借助于Soldworks及ANSYS/workbench軟件，對(duì)快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行建模和有限元分析，通過(guò)對(duì)快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行靜應(yīng)力分析，考察其在規(guī)定受力的情況下所產(chǎn)生的應(yīng)力、變形、位移等情況是否滿足井下設(shè)計(jì)及其工作性能要求[11-16]。

圖9 模型總變形分析云圖Fig.9 The total deformation analysis diagram of the model

在超前支護(hù)設(shè)備頂梁前部承受載荷的情況下，通過(guò)上述結(jié)果可知，根據(jù)頂梁變形分布云圖可以知道產(chǎn)生最大變形的位置是頂梁的中前部，總變形量為9.479 1 mm，根據(jù)頂梁應(yīng)力云圖可以看到最大應(yīng)力集中在頂梁的中前部槽鋼聯(lián)接處，最大應(yīng)力為163.69 MPa，而所選擇的材料屈服極限是235 MPa，因此頂梁前部在承受載荷工況下也是安全的。

3.3 前部承受偏載

在框架頂部上端面的前部一側(cè)承受偏載的工況下，模型不同部位的應(yīng)力應(yīng)變情況分別如圖10。

圖10 模型總變形分析云圖Fig.10 The total deformation analysis diagram of the model

在超前支護(hù)設(shè)備頂梁前部一側(cè)承受偏載的情況下，通過(guò)上述結(jié)果可知，產(chǎn)生最大變形的位置是頂梁的中前部，總變形量為9.506 1 mm，根據(jù)頂梁應(yīng)力云圖可以看到最大應(yīng)力集中在頂梁的中前部槽鋼聯(lián)接處，最大應(yīng)力為182.07 MPa，而所選擇的材料屈服極限是235 MPa，因此頂梁前部承受載荷工況下也是安全的。

《道德經(jīng)》的作者老子壽百歲，他說(shuō)，“死而不亡者壽”，身雖死而不被遺忘的人，才算真正的長(zhǎng)壽。這頗像“有的人死了，他還活著”的現(xiàn)代詩(shī)句。

4 結(jié)語(yǔ)

1）利用Solidworks軟件對(duì)制造的托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架進(jìn)行了校核及分析，證明新研制的托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架是安全和可靠性的。

2）利用Solidworks軟件對(duì)對(duì)制造的托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架進(jìn)行前部均布載荷變形校核可知產(chǎn)生最大變形及最大應(yīng)力產(chǎn)生是頂梁的中前部的位置，根據(jù)總變形量和最大應(yīng)力所選擇的材料，頂梁前部承受載荷工況下是安全的。

財(cái)政內(nèi)控四級(jí)聯(lián)動(dòng)、向基層挺進(jìn)既是內(nèi)蒙古的特點(diǎn)之一，也是內(nèi)控整體布局的出發(fā)點(diǎn)。只有財(cái)政系統(tǒng)上下貫通、縱向到底，才能發(fā)揮內(nèi)控的系統(tǒng)功效。為保持財(cái)政內(nèi)控的整體推進(jìn)態(tài)勢(shì)，內(nèi)蒙古財(cái)政廳在先行先試的同時(shí)，重視推動(dòng)盟市、旗縣財(cái)政內(nèi)控建設(shè)。兩年來(lái)，從轉(zhuǎn)變作風(fēng)入手，結(jié)合“兩學(xué)一做”活動(dòng)，通過(guò)調(diào)研、培訓(xùn)、召開(kāi)座談會(huì)等方式，多次深入盟市、旗縣加強(qiáng)對(duì)基層財(cái)政內(nèi)控工作的指導(dǎo)，足跡遍布各盟市，涉及眾多重點(diǎn)旗縣，基本實(shí)現(xiàn)了盟市與自治區(qū)在工作進(jìn)度上的同步推進(jìn)。

表1顯示：對(duì)B組運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后所測(cè)積極幸福感、心理煩惱和疲勞三項(xiàng)指標(biāo)的平均分?jǐn)?shù)分別為 18.22 分和19.28 分、10.00 分和 8.22分、12.06分和11.78 分，經(jīng)配對(duì)樣本 T 檢驗(yàn)分析所得，B組運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后積極幸福感得分高，且具有顯著性差異(P<0.05)，說(shuō)明慢跑對(duì)大學(xué)生的積極幸福感獲得是有正向作用的。B組運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后心理煩惱感得分降低，且具有顯著性差異(P<0.05)，說(shuō)明慢跑對(duì)大學(xué)生的心理煩惱感是有正向作用的。但是在疲勞得分方面，對(duì)運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

3）利用Solidworks軟件對(duì)對(duì)制造的托頂煤快速掘進(jìn)臨時(shí)支架進(jìn)行前部承受偏載校核，產(chǎn)生最大變形與最大應(yīng)力集中在頂梁的中前部槽鋼聯(lián)接處的位置是頂梁的中前部，根據(jù)總變形量與最大應(yīng)力與所選擇的材料的屈服極限，頂梁前部承受偏載的工況下也是安全的。