張禮才

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

0 引言

煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)中，支護(hù)作業(yè)時(shí)間超過(guò)總掘進(jìn)時(shí)間的60%，目前我國(guó)煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)中仍然面臨著掘進(jìn)和支護(hù)設(shè)備自動(dòng)化程度低，效率低，安全隱患大的問(wèn)題[1]。 開發(fā)鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架，模擬井下工況，實(shí)施錨桿鉆車鉆孔試驗(yàn)，是提升錨桿鉆車可靠性以及巷道支護(hù)效率的重要舉措。 為此本文以錨桿鉆車鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架為研究對(duì)象，模擬實(shí)際工況，實(shí)施了有限元分析和強(qiáng)度校核，為提升錨桿鉆車可靠性奠定了基礎(chǔ)。

1 錨桿鉆車鉆孔試驗(yàn)臺(tái)組成和試驗(yàn)流程

1.1 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)組成

巷道錨桿支護(hù)分為頂板支護(hù)和側(cè)幫支護(hù)， 相應(yīng)的錨桿鉆車作業(yè)包括頂板錨護(hù)作業(yè)、側(cè)幫錨護(hù)作業(yè)[2]。 為此設(shè)計(jì)了頂板、 側(cè)幫一體化錨護(hù)試驗(yàn)臺(tái)， 用以測(cè)試錨桿鉆車鉆孔性能， 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)

由圖1 可知， 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)由頂部試塊、 試驗(yàn)臺(tái)架、中部試塊、鋼絲繩、限位塊組成。 頂部試塊模擬巷道頂板材料制作， 其力學(xué)特性與巷道頂板一致。 中間試塊模擬巷道側(cè)幫材料制作，其力學(xué)特性與巷道側(cè)幫一致[3]。 為防止試塊破碎和固定試塊，設(shè)計(jì)了框架，框架由鋼板組成，沿試塊棱邊方向布置，構(gòu)成框式結(jié)構(gòu)，鋼板之間通過(guò)螺栓連接，用以固定試塊。

試驗(yàn)臺(tái)架是由方鋼管拼焊組成的格構(gòu)化梁式結(jié)構(gòu)，兼具質(zhì)量輕、承載能力強(qiáng)、美觀大方的優(yōu)點(diǎn)。

試塊通過(guò)限位塊、鋼絲繩固定在試驗(yàn)臺(tái)架墊板上，墊板焊接在試驗(yàn)臺(tái)架橫梁上。 試驗(yàn)臺(tái)架通過(guò)地腳螺栓固定在地面上。

1.2 鉆孔試驗(yàn)流程

試驗(yàn)臺(tái)模擬錨桿鉆車頂部錨護(hù)作業(yè)的試驗(yàn)稱為頂錨試驗(yàn)，模擬錨桿鉆車側(cè)幫錨護(hù)作業(yè)的試驗(yàn)稱為側(cè)錨試驗(yàn)。錨護(hù)作業(yè)與載荷有關(guān)的過(guò)程為鉆孔作業(yè)，為此，試驗(yàn)臺(tái)架有限元分析僅研究鉆孔試驗(yàn)。

頂錨試驗(yàn)流程包括調(diào)整姿態(tài)、安裝鉆桿、鉆孔、鉆桿收回， 首先操縱鉆車行駛至試驗(yàn)臺(tái)架工位， 調(diào)整鉆架姿態(tài)，對(duì)準(zhǔn)底部試塊，保持鉆桿與頂部試塊垂直，鉆箱馬達(dá)啟動(dòng)，鉆箱驅(qū)動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)，鉆架進(jìn)給油缸啟動(dòng)，通過(guò)鏈條、導(dǎo)向連接板，驅(qū)動(dòng)鉆箱向上運(yùn)動(dòng)，鉆桿升起，接觸頂部試塊，開始打鉆試驗(yàn)，鉆孔完畢后，鉆箱停止旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給油缸收回，鉆箱下降，回到初始位置，鉆桿退出。 重復(fù)上述流程，鉆下一個(gè)孔。

側(cè)錨作業(yè)流程與頂錨作業(yè)類似，不同之處在于，鉆桿水平運(yùn)動(dòng)，實(shí)施橫向鉆孔作業(yè)。 錨桿鉆車頂錨作業(yè)、側(cè)錨作業(yè)受力不同，必須分別研究。

2 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架受力分析

頂錨試驗(yàn)工況，鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架受到自身重力、頂部試塊重力、中間試塊重力、鉆桿豎直進(jìn)給力、鉆桿旋轉(zhuǎn)扭矩以及地面支撐力、摩擦力作用。 側(cè)錨試驗(yàn)工況，鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架受到鉆桿水平進(jìn)給力、鉆桿旋轉(zhuǎn)扭矩作用，其余載荷與頂錨試驗(yàn)類似。 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架受力分析見圖2。

圖2 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架受力分析

圖 中 f1、f2表示試驗(yàn)臺(tái)架受到的地面摩擦力， 前者方向垂直紙面向外， 后者方向水平向左；N1表示試驗(yàn)臺(tái)架受到的地面支撐力， 方向豎直向上；T1、T2分別表示試驗(yàn)臺(tái)架受到的頂部試塊壓力、 中間試塊壓力， 方向豎直向下；G1表示試驗(yàn)臺(tái)架重力，方向豎直向下；P1、P2表示試驗(yàn)臺(tái)架受到的鉆孔進(jìn)給力，M1、M2表示試驗(yàn)臺(tái)架受到的鉆孔旋轉(zhuǎn)扭矩，鉆桿進(jìn)給力、旋轉(zhuǎn)扭矩作用在試塊上，通過(guò)鋼絲繩、限位塊、試塊安裝板傳遞到試驗(yàn)臺(tái)架。

頂錨試驗(yàn)工況， 試驗(yàn)臺(tái)架在f1、N1、T1、T2、G1、P1、M1作用下，合力為零，合力矩為零，處于平衡態(tài)。

側(cè)錨試驗(yàn)工況， 試驗(yàn)臺(tái)架在f1、f2、N1、T1、T2、G1、P2、M2作用下，合力為零，合力矩為零，處于平衡態(tài)。

3 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架有限元分析

3.1 有限元分析模型的建立

有限元分析模型建立分為直接建模和外部導(dǎo)入兩種方式，試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用外部導(dǎo)入的方式建立分析模型。 首先利用三維畫圖軟件建立試驗(yàn)臺(tái)架三維裝配體模型， 將試驗(yàn)臺(tái)架三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench，設(shè)置試驗(yàn)臺(tái)架材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為2.06×1011，泊松比為0.3。

3.2 定義試驗(yàn)臺(tái)架零件連接關(guān)系

設(shè)置鋼梁之間的接觸類型為固定模式， 模擬實(shí)際各個(gè)鋼梁之間的焊接裝配關(guān)系， 設(shè)置試塊安裝板與鋼梁之間的接觸類型為固定， 模擬試塊安裝板與鋼梁之間的焊接裝配關(guān)系。 設(shè)置地腳、 底部鋼梁與地面接觸類型為固定，模擬試驗(yàn)臺(tái)架固定方式。

3.3 網(wǎng)格劃分

利用網(wǎng)格劃分平臺(tái)，劃分試驗(yàn)臺(tái)架模型有限元分析網(wǎng)格，首先確定物理場(chǎng)和網(wǎng)格劃分方法，選擇結(jié)構(gòu)場(chǎng)、自動(dòng)劃分方法[4]，根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)架三維尺寸合理確定單元尺寸，劃分試驗(yàn)臺(tái)架模型網(wǎng)格見圖3。

圖3 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架網(wǎng)格劃分

3.4 施加載荷

由試驗(yàn)臺(tái)架受力分析得知，頂部錨桿鉆孔試驗(yàn)與側(cè)幫錨桿鉆孔試驗(yàn)，兩種工況下臺(tái)架受力不同。 頂錨試驗(yàn)工況下，試驗(yàn)臺(tái)架受到自身重力，地面支撐力、摩擦力，頂部鉆孔豎直進(jìn)給力、鉆孔旋轉(zhuǎn)力矩以及兩個(gè)試塊重力作用。 側(cè)錨試驗(yàn)工況下，試驗(yàn)臺(tái)架受到水平鉆孔進(jìn)給力、鉆孔旋轉(zhuǎn)力矩作用，其余載荷與頂錨試驗(yàn)類似。

通過(guò)設(shè)置鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架材料屬性、重力加速度，施加重力載荷。 試塊重力、鉆孔進(jìn)給力、鉆孔旋轉(zhuǎn)力矩為試塊受到的載荷，通過(guò)遠(yuǎn)程力的方式施加給試塊安裝板。 地面對(duì)鉆孔臺(tái)架的作用力通過(guò)臺(tái)架與地面的固定約束方式施加[5]。

錨桿鉆車鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架有限元模型施加載荷見圖4。

圖4 鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架模型加載

3.5 模型求解

ANSYS Workbench包含兩種求解器，分別為直接求解器、迭代求解器，直接求解器通過(guò)分解系數(shù)矩陣[K]得到逆矩陣[K]-1從而得到單元特性方程，適合求解包含薄面和細(xì)長(zhǎng)體的模型， 迭代求解器利用前處理矩陣求解方程，是矩陣做乘法，而不是因式分解，適合處理大體積模型[6]。

本文采用程序自動(dòng)選取的方式求解錨桿鉆車鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架有限元模型，得到頂錨試驗(yàn)工況下，臺(tái)架應(yīng)力分布見圖5。 側(cè)錨試驗(yàn)工況下，臺(tái)架應(yīng)力分布見圖6。

圖5 頂錨試驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)力分布

圖6 側(cè)錨試驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)力分布

由圖5 可知，頂部錨桿鉆孔試驗(yàn)工況，臺(tái)架頂部橫梁與斜撐梁相交的角點(diǎn)處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為126.74 MPa。

由圖6 得知，側(cè)向錨桿鉆孔試驗(yàn)工況，中部橫梁與斜撐梁相交的角點(diǎn)處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為101.45MPa。

與側(cè)向錨桿鉆孔試驗(yàn)應(yīng)力峰值相比， 頂部錨桿鉆孔試驗(yàn)應(yīng)力峰值較大，后者為前者的1.25 倍，頂部錨桿鉆孔試驗(yàn)為危險(xiǎn)試驗(yàn)工況。 這是由于臺(tái)架頂部為懸臂梁結(jié)構(gòu)，頂部鉆孔載荷在懸臂梁固定端角點(diǎn)處出現(xiàn)了應(yīng)力集中。

試驗(yàn)臺(tái)架材料為Q235，屈服極限為235 MPa，試驗(yàn)臺(tái)架最大應(yīng)力低于屈服極限，安全系數(shù)為1.85，滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以為錨桿鉆車鉆孔試驗(yàn)臺(tái)架為研究對(duì)象， 分析了臺(tái)架受力，建立了臺(tái)架有限元分析模型，獲得了頂部錨桿鉆孔試驗(yàn)、側(cè)向錨桿鉆孔試驗(yàn)不同工況下，試驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)力分布，得出結(jié)論如下：

頂部錨桿鉆孔試驗(yàn)工況， 臺(tái)架頂部橫梁與斜撐梁相交的角點(diǎn)處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為126.74MPa；側(cè)向錨桿鉆孔試驗(yàn)工況， 中部橫梁與斜撐梁相交的角點(diǎn)處應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為101.45MPa；試驗(yàn)臺(tái)架可簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，與側(cè)錨試驗(yàn)相比，頂錨試驗(yàn)為危險(xiǎn)工況，最大應(yīng)力低于屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。