基于ANSYS巷道架棚機(jī)支撐臂結(jié)構(gòu)分析

趙文友

（淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋礦， 安徽 淮南232151）

隨著現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的同時(shí)，對(duì)安全和效率的要求不斷提高。在過(guò)去的煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中，頂板會(huì)發(fā)生下沉、離層現(xiàn)象，采用錨索網(wǎng)支護(hù)是無(wú)法施工的，人工錨索網(wǎng)支護(hù)施工工藝復(fù)雜、環(huán)節(jié)多、效率低、支護(hù)速度慢，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性能差，威脅工人的安全，嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)。為了適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井的發(fā)展，設(shè)計(jì)出了巷道架棚機(jī)，因其具有連續(xù)掘進(jìn)、工序少、效率高、速度快等特點(diǎn)，越來(lái)越多地用于巷道架棚安裝施工。架棚梁上放置一定量支護(hù)頂梁，由支撐臂托舉架棚梁上下升降到達(dá)相應(yīng)安裝位置，人員在工作平臺(tái)上完成架棚的安裝，在這個(gè)過(guò)程中支撐臂承受架棚梁、防護(hù)盾及支護(hù)頂梁的重量，若支撐臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則在支撐臂的薄弱部位會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，威脅施工人員的安全。因此對(duì)支撐臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確保支撐臂強(qiáng)度滿足要求，有助于提高施工的安全性和巷道開(kāi)拓效率，對(duì)提高煤炭產(chǎn)量起到一定的推動(dòng)作用［1－2］。

1 支撐臂模型建立

支撐臂主要是厚鋼板焊接成的框架結(jié)構(gòu)，采用厚鋼板主要目的是為了增加支撐臂的黏著質(zhì)量。對(duì)巷道架棚機(jī)支撐臂進(jìn)行建模，其具體參數(shù)參見(jiàn)表1。

結(jié)合某煤礦巷道架棚機(jī)實(shí)體、相關(guān)技術(shù)要求和國(guó)標(biāo)，建立支撐臂整體三維模型，如圖1所示。

2 支撐臂靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元模型建立

將支撐臂三維模型模型另存為.step格式并導(dǎo)入ANSYS－Workbench中，使用Solid186單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分獲得如圖2所示的有限元模型，此處經(jīng)過(guò)分析比較，發(fā)現(xiàn)單元格尺寸為100mm時(shí)即可保證分析精度，節(jié)點(diǎn)數(shù)為28 698個(gè)，單元數(shù)為15 318個(gè)。Solid186具有任意的空間各向異性，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化、變形和大應(yīng)變能力。還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料［3］。

表1 巷道架棚機(jī)支撐臂具體參數(shù)

圖1 支撐臂三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 支撐臂有限元模型圖

2.2 材料選擇

材料是支撐臂承載強(qiáng)度大小的決定性因素，材料的性能直接關(guān)系到支撐臂是否滿足強(qiáng)度和安全要求。支撐臂所使用材料為Q550號(hào)鋼，其楊氏模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為550MPa。Q550是一種高強(qiáng)度低合金鋼，具有較高的屈服強(qiáng)度，良好的焊接性能和冷加工性能，特別是在彎曲和板厚方向上的塑性性能良好，斷裂韌性高具有較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，廣泛應(yīng)用于建筑、船舶、高壓容器、管材、線材、車輛、工程機(jī)械等行業(yè)［4－5］。

2.3 載荷和邊界條件加載

結(jié)合巷道架棚機(jī)支撐臂的實(shí)際工作情況，支撐臂在工作過(guò)程中主要是承載架棚梁、防護(hù)盾及支護(hù)頂梁的重量，因此，支撐臂所受到的力主要來(lái)源于架棚梁、防護(hù)盾及支護(hù)頂梁的疊加自重?？紤]到支撐臂本身也含有一定的自重，通過(guò)等效分析最終得出在支撐臂前端的鉸接孔內(nèi)施加101kN的作用力，其載荷加載如圖3所示。

圖3 載荷加載圖

對(duì)巷道架棚機(jī)支撐臂進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，還需要根據(jù)支撐臂運(yùn)行情況，對(duì)其進(jìn)行必要的位移約束，在支撐臂后端的三個(gè)鉸接孔內(nèi)分別施加三個(gè)方向上的位移約束，即UX＝0，UY＝0，UZ＝0，如圖4所示。

圖4 位移約束加載圖

2.4 結(jié)果分析

對(duì)巷道架棚機(jī)支撐臂靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析得到結(jié)果如圖5和圖6所示。支撐臂的功能是支撐架棚梁和執(zhí)行架棚梁升降動(dòng)作，支撐臂相當(dāng)于一根懸臂梁，連接架棚梁的一端受力，位移最大，固定端所受的彎矩最大容易發(fā)生應(yīng)力集中。對(duì)支撐臂的強(qiáng)度研究，重點(diǎn)關(guān)注其所受的最大應(yīng)力強(qiáng)度和最大應(yīng)力產(chǎn)生的部位，以確定其最大應(yīng)力強(qiáng)度是否超出材料的屈服強(qiáng)度。

圖5 應(yīng)力強(qiáng)度圖

圖6 總位移圖

由圖5可得，支撐臂在工作時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力強(qiáng)度為340.9MPa，最大應(yīng)力位置位于支撐臂下板的圓角過(guò)渡處；由圖6可得，支撐臂最大位移為29.826mm，最大位移位置位于支撐臂受力處，上述基本符合真實(shí)情況。

支撐臂的最大應(yīng)力為σvonMise＝340.9 MPa，根據(jù)強(qiáng)度理論，

式中：S為安全系數(shù)；

σvonMise為最大米塞斯等效應(yīng)力（也即最大應(yīng)力）；［σ］為材料的許用應(yīng)力；σ0.2為材料的屈服強(qiáng)度，σ0.2＝550MPa。

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)查詢，支撐臂的安全系數(shù)S一般為1.5，則：

以上分析說(shuō)明，支撐臂滿足實(shí)際工程需要，也驗(yàn)證了支撐臂的設(shè)計(jì)尺寸和材料選擇是安全和合理的［6］。

支撐臂作為架棚梁及防護(hù)盾的承載體，關(guān)系到施工人員的安全，因此對(duì)支撐臂的強(qiáng)度和安全性能要求很高，所以在完成支撐臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，利用ANSYS軟件對(duì)支撐臂進(jìn)行應(yīng)力分析。通過(guò)對(duì)支撐臂進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析最終得到，支撐臂的最大應(yīng)力為340.9 MPa，未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度值550MPa，且具備符合要求的安全系數(shù)，滿足強(qiáng)度要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了支撐臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理和準(zhǔn)確的。下一步還需對(duì)支撐臂上應(yīng)力較大部位進(jìn)行分析，提出合理改進(jìn)方法，以減小應(yīng)力，增大支撐臂的安全系數(shù)。為支撐臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，也有助于后期對(duì)巷道架棚機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

［1］喬峰邦.U形鋼抬棚支護(hù)在巷道交岔點(diǎn)鐘的應(yīng)用［J］.煤炭科技，2008，31（2）：53－54.

［2］郭國(guó)平，李海峰.錨索抬棚在巷道支護(hù)中的作用［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2012，22（8）：145－146.

［3］曾攀.有限元分析及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［4］伍玉嬌.金屬材料學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2011.

［5］張曉燕.材料科學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009.

［6］陳清華，潘地林.帶式輸送機(jī)傳動(dòng)滾筒的有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2004，（1）：12－15.