閆汝山,劉杰輝
(河北工程大學機械與裝備工程學院,河北 邯鄲 056038)
煤礦開采過程中,梯子梁被用來支撐礦井巷道頂部,以達到加固巷巖體的作用。梯子梁在各個礦井中使用非常普遍且用量巨大。作為煤礦生產(chǎn)行業(yè)重要的安全設施之一,梯子梁的安全性至關重要。焊接是梯子梁生產(chǎn)中必不可少的步驟,傳統(tǒng)礦用梯子梁失效形式主要是焊接部位出現(xiàn)疲勞變形。傳統(tǒng)梯子梁焊接部位為環(huán)形,焊接工藝復雜,焊接缺陷多,易出現(xiàn)疲勞失效。本文設計出一種新型U型梯子梁,并對其中φ 14 mm圓鋼、長度900 mm的新型U型梯子梁進行有限元分析。
礦用金屬梯子梁主要用于錨桿支護、煤巷掘進以及隧道加固等[1-2],應用廣泛、需求量大,目前國內(nèi)礦用梯子梁的焊接基本依靠人工焊接。但人工焊接生產(chǎn)效率低,勞動強度大,難以保證煤礦的生產(chǎn)需要;受焊工技能的影響,產(chǎn)品質量一致性差,殘次品多,質量不穩(wěn)定。人工焊接產(chǎn)品容易出現(xiàn)諸如漏焊、毛刺、夾渣等外觀缺陷和焊接疏松、氣孔、裂紋等制造缺陷[3-4]。外觀缺陷影響產(chǎn)品銷路,而制造缺陷存在潛在的安全隱患。解決這些制造問題,根本就是防止生產(chǎn)者勞動過程中的操作不當,但由于技術水平、心態(tài)情緒、生產(chǎn)責任等因素制約,人工焊接較難解決。
人工焊接對焊接工人的身體健康有很大影響。人工焊接存在有毒煙霧、強光刺激、低溫烘烤以及長時間保持各種姿勢等問題[5],容易對工作人員身體產(chǎn)生一定的危害?,F(xiàn)在大量制造企業(yè)缺少操作工人,愿意從事焊接的工人更少,技術嫻熟的焊接工人就更難招聘。
人工焊接生產(chǎn)中材料及能源的消耗也較難掌控,加上較高的殘次品率及較高的人員工資,使得人工焊接的生產(chǎn)成本居高不下。
傳統(tǒng)的梯子梁以2個平行放置的長鋼筋為梁,梁之間焊接若干個垂直放置的短、直鋼筋支撐肋[6]。與傳統(tǒng)梯子梁不同,本文設計的U型礦用梯子梁由2個并列的梁和連接2個梁的若干個U形肋構成。實際生產(chǎn)中,U形肋由1根鋼筋機器折彎而成,2根并列的長鋼筋與U形肋的兩側邊焊接,整體上呈現(xiàn)出封閉結構,如圖1所示。
圖1 新型梯子梁三維結構圖
傳統(tǒng)梯子梁內(nèi)部結構為垂直交錯的直鋼筋點焊焊接而成。與傳統(tǒng)梯子梁相比,新型U型梯子梁具有以下優(yōu)點:焊接部位為直線形,焊接操作過程簡單;U型部位與兩側的梁接觸面積大,焊接緊固性好;正反兩面共計4個焊道,焊接位置少,單件生產(chǎn)工時短,生產(chǎn)效率高。
由于礦下環(huán)境復雜,梯子梁在實際生產(chǎn)中會有多種型號來適應環(huán)境需求。本文對φ 14 mm圓鋼、長度900 mm新型U型梯子梁焊接過程進行位移、殘余應力進行分析,分析結果如下。
圖2是梯子梁冷卻至外界環(huán)境溫度后的位移云圖。由于焊接時存在先后順序,所以在焊接結束后梯子梁兩側位移的變化并不是關于x方向的完全對稱。
圖2 梯子梁位移云圖
從云圖上可以明顯看出,梯子梁整體位移梯度變化平滑,在焊接附近區(qū)域,位移最?。痪嚯x焊接區(qū)域越遠位移越大,最大位移出現(xiàn)在梯子梁的兩端,最大位移為0.14 mm。
圖3是梯子梁焊接過程中最大位移隨時間的變化曲線,曲線出現(xiàn)4個波峰,對應4個焊縫完成時的位移,其中最大位移出現(xiàn)在第1個焊縫完成時,位移量達到了2.9 mm,這是由于在進行第1道焊縫的焊接作業(yè)時,由于U形肋與梁的約束幾乎不存在,焊接時梯子梁最容易受到影響而產(chǎn)生變形。
圖3 梯子梁焊接過程位移變化曲線
第2道焊縫完成后,幾何位置的對稱性決定了第2道焊縫產(chǎn)生的位移與第1道相反,并且由于第1道焊縫的約束,所以明顯可以看出在第2道焊縫完成后梯子梁最大位移反而會有明顯下降。
進行第3道焊縫時,雖然產(chǎn)生的位移影響與第1道焊縫方向相同,但是由于前2道焊縫已經(jīng)完成,U形肋與梁的約束變多,此時的最大位移峰值不會超過2.9 mm。同理,第4道焊縫完成后最大位移也會稍微降低。
圖4是梯子梁的應力云圖。從云圖上看,x軸方向上梯子梁整體應力幾乎相同。焊接完成后,梯子梁冷卻至外界環(huán)境溫度,梯子梁最大殘余應力為116.55 MPa。U形肋的兩側殘余應力幾乎相同,最大殘余應力的出現(xiàn)主要是U形肋與梁的連接區(qū)域是焊接熱的集中區(qū)域。焊接前后的溫度梯度較大,所以在焊接后應力主要集中在相切的區(qū)域。從幾何結構上看,由于焊接上下存在對稱性,殘余應力的分布也幾乎是對稱的。
圖4 梯子梁殘余應力云圖
圖5是梯子梁在x方向上的應力分布曲線,最大應力出現(xiàn)在475 mm處,這是由于U形肋的底部有一個彎曲,在450 mm附近應力不是對稱分布,導致肋的開口方向上應力比底部彎曲處要大。在遠離焊接中心的區(qū)域,應力的分布基本對稱。
圖5 x軸方向上應力分布曲線
本文借助ANSYS有限元軟件對φ 14 mm圓鋼、900 mm長度新型U型梯子梁焊接過程進行了數(shù)值模擬,在此基礎上對梯子梁的位移、殘余應力進行了全面分析。對新型U型梯子梁的實際生產(chǎn)具有一定的指導意義。
1)U形肋焊接第1道焊縫時,由于約束最少,產(chǎn)生的變形量最大,所以焊接時應保證U型肋與梁之間的約束關系,焊接前可以采用點焊固定位置。
2)梯子梁的位移變化并不是完全對稱,最大位移出現(xiàn)在靠近最后一道焊縫側。
3)新型梯子梁的安全性符合煤礦井下作業(yè)要求,可以進行生產(chǎn)線的開發(fā)研究。