移動式瓦斯管路專用起重設(shè)備的結(jié)構(gòu)FEA設(shè)計

袁文豐，張紅飛

(山西三元福達煤業(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強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，這樣不僅可降低勞動強度確保安全生產(chǎn)，而且可以提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。

基于上述需求，設(shè)計了一種可移動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[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發(fā)生的突出問題，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)備通過液壓進行傳動。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)進行了設(shè)計，分析了結(jié)構(gòu)在最危險工況下的危險點的應(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單元，單元之間通過節(jié)點相連，并建立了平面梁單元的本構(gòu)方程，通過計算可知結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，且具有較大的設(shè)計余量。

圖1 可移動式瓦斯管路拆裝起重設(shè)備主視圖

圖2 可移動式瓦斯管路拆裝起重設(shè)備左視圖

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)

可移動式瓦斯管路拆裝起重設(shè)備的結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由兩個剪式的舉升結(jié)構(gòu)組成，并由液壓缸提供動力。下面將對該結(jié)構(gòu)在最危險工況下的危險點進行分析，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時的工況見圖1，此時，支撐臂同水平面的夾角達到極限為α=60°.

確定本設(shè)計的最危險工況為將瓦斯管舉升至最高點時的情況，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方向的載荷對結(jié)構(gòu)進行基于傳統(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)的方法進行分析，結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算如式(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

如圖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)離散化為兩個單元，節(jié)點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)點位移及單元圖

假設(shè)3個節(jié)點的位移分別為c，則節(jié)點位移列陣為：

q=[v1θ1v2θ2v3θ3]T

(2)

對分布載荷進行等效節(jié)點載荷計算，則有節(jié)點載荷列陣：

P=[Ry1Mθ1Ry2Mθ2FVMθ3]T

(3)

式中:

Ryi—由外載荷的作用而引起的節(jié)點力(i=1,2,3)；

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

2.2 計算各個單元的剛度矩陣

(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，可計算出各個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)力計算

根據(jù)計算可知，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，中間截面為最危險的截面，下面對中間截面所承受的載荷進行計算：

軸向應(yīng)力計算：

彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力計算：

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)力的計算如下所示：

因此，σ<[σ]，證明結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)的安全余量較大可進一步采用優(yōu)化設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種能夠在煤礦井下進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。從設(shè)備的結(jié)構(gòu)安全性為出發(fā)點，對其結(jié)構(gòu)進行了受力分析和應(yīng)力計算，本文的計算過程采用了基于有限元的理論分析方法，將結(jié)構(gòu)劃分成兩個梁單元，通過建立梁單元的剛度方程并組合求解，可計算出結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，且具有較大的安全余量。

參 考 文 獻

[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, 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設(shè)計研究[J]. 科技展望, 2016, 26(32)：16-17.

[4] 黃火輝. 關(guān)于汽車舉升機的設(shè)計與研究[J]. 機電產(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剛度與強度分析[J]. 機械與電子, 2016, 34(7):34-37.