大直徑礦用錨索靜載性能試驗工裝的研究

許日成

煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

我國自 20 世紀 60 年代引進錨索支護技術(shù)以來，在邊坡控制、巖石隧道加固、壩基加固、深基坑等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。近幾年，隨著煤礦開采深度的不斷加深，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜，煤礦井下礦用錨索支護技術(shù)也得到很大發(fā)展，對支護材料提出了更高的要求，其中礦用錨索用鋼絞線由單一結(jié)構(gòu) 1×7 發(fā)展為 1×7、1×19S 和 1×19W，并呈現(xiàn)出大直徑、高強度和大伸長率發(fā)展趨勢。其中，公稱直徑達到 35 mm，抗拉強度到達 1 860 MPa，最大力總伸長率超過 7.0%，提高了礦用錨索承載能力和抗變形能力，能夠更好地滿足煤礦巷道支護的需求，為巷道的安全保駕護航[4-6]。礦用錨索屬于安全標志管理范疇內(nèi)的產(chǎn)品，但大直徑、高強度、大伸長率礦用錨索的出現(xiàn)，對檢測設(shè)備尤其是大直徑礦用錨索檢測工裝提出了更高的要求，給檢測檢驗帶來了一定的困難[7]。因此，筆者在實驗室 LA-2000 微機電液伺服萬能試驗機的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一套滿足大直徑礦用錨索靜載試驗用工裝，從而實現(xiàn)大直徑礦用錨索靜載性能的測試。

1 錨索靜載性能測試原理

礦用錨索執(zhí)行標準 MT/T 942—2005 通過靜載性能來考核鋼絞線 (錨具組裝件) 的承載能力，考核產(chǎn)品的支護能力，保證產(chǎn)品的支護效果。錨索的靜載性能由鋼絞線的錨具效率系數(shù)ηa和受力長度的總應(yīng)變εapu來確定[8]。其中，錨具效率系數(shù)

式中：Fapu為鋼絞線的實測極限拉力，kN；Fm為鋼絞線實測的最大平均值，kN。

標準中給出了靜載試驗組裝形式，即鋼絞線兩端均安裝上配套錨具，這種安裝方式基于臥式拉伸試驗機，有自身的局限性，對測試結(jié)果有一定的影響，而且操作費時費力。隨著 2 000 kN 大型立式試驗機的出現(xiàn)，安裝方式也隨之發(fā)生變化，如圖 1 所示。即采用一端直接夾持鋼絞線，一端夾持工裝，鋼絞線另一端安裝有錨具，錨具坐在工裝上。

圖1 靜載性能試驗安裝示意Fig.1 Installation sketch of static load performance test

2 試驗工裝設(shè)計

筆者設(shè)計的靜載性能試驗工裝是以 LA-2000 微機電液伺服萬能試驗機為基礎(chǔ)，該試驗機最大試驗力達 2 000 kN、最大拉伸空間達 2 500 mm，測試能力能夠滿足大直徑、高強度、大伸長率的礦用錨索靜載性能測試要求。為了科學(xué)、高效地實現(xiàn)大直徑 29、35 mm 礦用錨索靜載性能的測試，綜合考慮 LA-2000微機電液伺服萬能試驗機的結(jié)構(gòu)特點，兩端通過液壓夾持實現(xiàn)拉伸。測試時，一端通過直接夾持鋼絞線，另一端配上錨具。如直接夾持錨具，既不滿足標準要求，測試結(jié)果也不具有說服力，還會在測試過程中帶來錨具炸裂等安全隱患?，F(xiàn)有工裝均為小直徑礦用錨索靜載性能試驗工裝，無論從結(jié)構(gòu)上還是強度上均無法滿足大直徑礦用錨索靜載性能試驗的要求。因此，為了解決這個問題，需要設(shè)計出一種試驗工裝，放置在試驗機上端部位，作為錨具的支撐座。

試驗機上端是個倒梯形結(jié)構(gòu)，需在現(xiàn)有小直徑礦用錨索用試驗工裝的結(jié)構(gòu)上進行升級改造。一是結(jié)構(gòu)要合理，保證大直徑鋼絞線安裝的便捷性；二是強度要足夠保證測試要求，避免由于測試過程中力過大，導(dǎo)致工裝變形，從而影響測試結(jié)果的準確性?；谏鲜鲈瓌t，設(shè)計的大直徑礦用錨索用試驗工裝由基座和套環(huán) 2 部分組成，如圖 2 所示。工裝材質(zhì)選用 45鋼，通過滲透微量稀有金屬、淬火等熱處理方法，屈服強度能夠達到 1 080 MPa 以上。

圖2 試驗工裝Fig.2 Test tooling

在基座和套環(huán)的結(jié)構(gòu)、外形尺寸不變的前提下，通過改變套環(huán)缺口的尺寸L，加工成不同尺寸的套環(huán)，與基座配套，實現(xiàn)不同直徑礦用錨索靜載性能的測試。為了保證測試結(jié)果的準確性，降低測試過程中錨具與套環(huán)之間的剪切對測試結(jié)果的影響，不同直徑礦用錨索用試驗工裝的套環(huán)缺口尺寸應(yīng)與鋼絞線直徑相匹配，即套環(huán)缺口尺寸應(yīng)盡可能與鋼絞線直徑接近，且試驗工裝與鋼絞線不應(yīng)出現(xiàn)接觸的情況。因此，公稱直徑 29 mm 礦用錨索用試驗工裝的套環(huán)缺口尺寸L設(shè)計為 32 mm，公稱直徑 35 mm 礦用錨索用試驗工裝的套環(huán)缺口尺寸L設(shè)計為 38 mm。

3 試驗工裝的有限元分析

試驗工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成以后，為了縮短研發(fā)周期，保證強度能夠滿足測試要求，運用 ANSYS Workbench 對其進行有限元分析[9-12]。

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)圖 2 所設(shè)計的工裝結(jié)構(gòu)，運用 Pro/E 建立試驗工裝、錨具和鋼絞線的三維模型，并按照實際測試進行組裝。設(shè)置材料密度、彈性模量和泊松比分別為7 890 kg/m3、209 GPa 和 0.27。由于錨具、鋼絞線主要用于輔助分析，不作為考核目標，故對其進行簡化處理，與試驗工裝的各項參數(shù)保持一致。采用自動網(wǎng)格劃分形式對三維模型進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點為 11 275個，單元為 5 256 個，生成有限元模型，如圖 3 所示。經(jīng)網(wǎng)格檢查，所劃分的網(wǎng)格較為均勻，滿足試驗工裝靜力學(xué)分析的要求[9]。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

3.2 約束與載荷的施加

靜載性能測試過程中，試驗工裝與錨具、鋼絞線的位置是固定的。因此，在試驗工裝基座底部施加固定約束，在鋼絞線一端施加載荷。目前，最大規(guī)格的礦用錨索公稱直徑為 35 mm、抗拉強度為 1 770 MPa，按此計算，所需施加的載荷為 1 425 kN?？紤]到試驗工裝的前瞻性及磨損，對其進行有限元分析時，施加載荷為 1 600 kN，如圖 4 所示。

圖4 約束與載荷Fig.4 Constraints and loads

3.3 結(jié)果分析

運用 ANSYS Workbench 進行有限元分析，從而得到套環(huán)凸臺高度h＝5 mm 試驗工裝的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，如圖 5 所示。由圖 5 可知，試驗工裝最大應(yīng)力為 1 264 MPa，位于套環(huán)凸臺與基座接觸處；最大應(yīng)變?yōu)?0.006 4，基本無變形。

圖5 h＝5 mm 試驗工裝的應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.5 Stress and strain contours of test tooling (h=5 mm)

為了解決套環(huán)凸臺與基座接觸處應(yīng)力集中的問題，采用增加凸臺高度h，由原來的 5 mm 增加到 10 mm，并對受力薄弱面進行網(wǎng)格細化處理，生成節(jié)點 26 122 個，單元 13 946 個。有限元分析結(jié)果如圖6 所示。由圖 6 可知，試驗工裝最大應(yīng)力為 1 026.9 MPa，小于材料的屈服強度 1 080 MPa；最大應(yīng)變?yōu)?.005 4，位于與錨具接觸的套環(huán)凹槽處。因此，凸臺高度h＝10 mm 試驗工裝的強度能夠滿足測試要求，且變形更小。

圖6 h＝10 mm 試驗工裝的應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.6 Stress and strain contours of test tooling (h=10 mm)

4 錨索靜載性能的測試

選取公稱直徑為 29 和 35 mm 礦用錨索作為測試對象，截取鋼絞線長度 1 600 mm。首先運用萬能材料試驗機測出 4 種型號礦用錨索用鋼絞線實測最大力平均值Fm分別為 914.6、987.5、1 005.4 和 1 410.2 kN，然后按照圖 1 所示，安裝好鋼絞線、錨具，進行靜載拉伸試驗，測試出鋼絞線的實測極限拉力。鋼絞線的極限拉力曲線如圖 7 所示。根據(jù)式 (1) 計算出錨具效率系數(shù)，測試結(jié)果如表 1 所列。

圖7 鋼絞線的極限拉力曲線Fig.7 Curve of ultimate tensile force of steel strand

表1 鋼絞線測試結(jié)果Tab.1 Test results of steel strand

由圖 7 和表 1 數(shù)據(jù)可知，大直徑礦用錨索靜載性能測試符合標準，且試驗后工裝完好，無變形，套環(huán)缺口尺寸未變。由此說明該工裝無論是結(jié)構(gòu)還是強度均能夠很好地滿足大直徑礦用錨索靜載性能測試。

5 結(jié)語

為解決大直徑礦用錨索靜載性能測試的安裝問題，從結(jié)構(gòu)方面設(shè)計出一種與現(xiàn)有 LA-2000 微機電液伺服萬能試驗機相匹配的試驗工裝。通過對公稱直徑為 29、35 mm 礦用錨索進行了驗證性測試，整個試驗過程符合標準 MT/T 942—2005 的測試要求。測試結(jié)果表明，該工裝安裝、拆卸操作簡單便捷，未出現(xiàn)可見的變形。