基于有限元分析的巷道鋪底模塊及接口設(shè)計

閔付松，賈志成，郎潮，喬前，鎖衛(wèi)，張響

1南京科工煤炭科學(xué)技術(shù)研究有限公司 江蘇南京 210018

2鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院 河南鄭州 450001

目前國內(nèi)大部分煤礦仍然采用混凝土澆筑巷道路面的施工方式[1]，如門克慶煤礦 11-3105 工作面巷道掘進后配套及巷道鋪底工程。部分深井巷道采用澆筑混凝土底板、鋪設(shè)大厚度鋼板、臨時鋪設(shè)木板及廢舊膠帶等工藝，如山能集團新巨龍煤礦膠輪運輸大巷中采用 15 mm 厚鋼板鋪設(shè)，采準巷道中使用工字鋼焊接骨架上覆鋼板模塊，在長久使用過程中出現(xiàn)了安撤不方便、鋼板變形、腐蝕以及連接處斷裂造成的漂移現(xiàn)象等，鋼板的翹邊處易損傷輪胎，造成不必要的經(jīng)濟損失。

在其他行業(yè)中存在使用聚乙烯材料制作柵格板及防滑板的情況。高強玻璃鋼柵格板能夠承受一定的荷載，且允許產(chǎn)生一定的變形。在棧橋上鋪設(shè)一層防滑板也能夠滿足行人和運輸輕載荷的要求。此類板材通過變形來釋放壓力，不利于在惡劣環(huán)境下的使用。格柵板可采用小型叉車運送及鋪設(shè)安裝，人工修正。兗州煤業(yè)的濟寧三號煤礦 18302 工作面輔運巷道在底板滿鋪尼龍材質(zhì)模板，用于人員和材料的運輸，實現(xiàn)了尼龍板的機械化運輸、人工快速鋪設(shè)，即鋪即用。但該項目的實施效果還有待進一步驗證，因為尼龍的力學(xué)性能受環(huán)境濕度影響較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力老化現(xiàn)象，并且該技術(shù)采用人工鋪設(shè)，模塊連接還需要使用連接鏈環(huán)和螺栓，自動化程度較低，安裝和維護成本較高。因此，亟待研究開發(fā)一款質(zhì)量輕、強度高、壽命長，便于自動化鋪底裝備施工，可以反復(fù)利用的巷道鋪底模塊。根據(jù)服役工況和技術(shù)要求，玻纖增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強度、耐腐蝕、低成本等特點，能夠避免混凝土、鋼板、聚乙烯板等材料的缺點，成為大噸位巷道自動化鋪底模塊的首選。

1 鋪底模塊生產(chǎn)工藝選擇

復(fù)合材料因其質(zhì)輕高強而被廣泛應(yīng)用。常見的復(fù)合材料加工工藝有手糊成型、真空袋工藝、纏繞成型、樹脂傳遞模塑工藝 (RTM)、模壓成型 (BMC、SMC)、真空導(dǎo)入 (VIPM、SCRIMP、RIFT、VARTM)等[2]。但此類成型方法操作復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本較高，限制了其在各領(lǐng)域的普及應(yīng)用。例如手糊成型工藝，樹脂混合、層合板樹脂含量和品質(zhì)與操作人員的熟練程度密切相關(guān)，難以獲得低樹脂含量且低孔隙率的層合板。另外手糊工藝應(yīng)避免直接接觸皮膚，存在潛在的健康危害，如果沒有良好的通風(fēng)設(shè)備，從聚酯和聚乙烯基酯揮發(fā)到空氣中的苯乙烯濃度很難達到法律規(guī)定的要求。而 VIPM 工藝所需耗材成本高、來源少，對操作工人的素養(yǎng)要求也很高，需嚴格按照生產(chǎn)步驟和要求進行操作。近年開發(fā)的拉擠成型工藝，以其穩(wěn)定性好、可設(shè)計性強、自動化程度高等優(yōu)勢而備受關(guān)注。對于所研究的鋪底模塊材料，可以采用熱固性復(fù)合材料，也可以考慮熱塑性復(fù)合材料，因此拉擠工藝做為一個適應(yīng)性強、自動化程度高、成本低、效率高、可以連續(xù)生產(chǎn)的新工藝，相較于其他成型方法更為適合。

如圖 1 所示，拉擠成型工藝是將預(yù)浸料在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地生產(chǎn)長度不限的玻璃鋼型材。其優(yōu)點：①生產(chǎn)過程完全實現(xiàn)自動化控制，生產(chǎn)效率高；② 拉擠成型制品中纖維含量可高達 80%，產(chǎn)品強度高；③制品縱、橫向強度可任意調(diào)整，可以滿足不同力學(xué)性能制品的使用要求；④ 生產(chǎn)過程中無邊角廢料，節(jié)省原料和能耗；⑤ 制品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好，長度可任意切斷[3]。

圖1 拉擠成型工藝示意Fig.1 Sketch of pultrusion forming technology

拉擠成型工藝原材料中，樹脂基體應(yīng)用和選擇較為廣泛，增強材料主要是玻璃纖維及其制品，如無捻粗紗、連續(xù)纖維氈等。模具是拉擠成型的重要工具，一般由預(yù)成型模和成型模兩部分組成，拉擠模具長度根據(jù)成型過程中牽引速度和樹脂凝膠固化速度決定，以保證制品拉出時達到脫模固化程度。模具一般采用鋼鍍鉻，模腔表面要求光潔、耐磨，以減少拉擠成型時的摩擦阻力和提高模具的使用壽命。拉擠成型工藝纖維含量可達 60%～ 80%，固化溫度為 100～ 160℃，拉擠速度為 100～ 500 mm/min，可連續(xù)生產(chǎn)，最大牽引力可達 40 kN，型材厚度可達 20 mm，制品斷面尺寸取決于機組模具，長度不限。拉擠工藝與其他工藝力學(xué)性能比較如表 1 所列[4]。

表1 不同成型工藝聚氨酯/玻璃纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical performance of polyurethane and glass fibre composite manufactured by various forming technology

2 鋪底模塊與接口設(shè)計

2.1 幾何模型建立

利用有限元分析軟件 UG/NX Modelling 建立鋪底模塊模型，如圖 2 所示。鋪底模塊尺寸為 1 000 mm×2 000 mm×20 mm，上表面為高 3 mm、寬 10 mm、間距 10 mm 的防滑紋，以增大車輪與鋪底模塊的摩擦力；底面為高 5 mm、寬 10 mm、間距 20 mm的底紋，以增加鋪底模塊的抓地力，使鋪底模塊緊貼地面，避免發(fā)生相對滑動。鋪底模塊材料選擇玻纖環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，彈性模量為 40 GPa，密度為2.0×10-3g/mm3，泊松比為 0.37。

圖2 鋪底模塊幾何模型Fig.2 Geometric model of mat module

2.2 有限元分析

采用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備的鋪底模塊覆于掘進后的巷道底板之上，需滿足車輛、設(shè)備及人員的運輸要求。同時，當需要進行底板修整時，鋪底模塊應(yīng)可快速拆卸，這要求接頭部分及螺栓具有足夠的強度，在車輛碾過時不會發(fā)生損壞。因此，考慮應(yīng)用時的工況情況，對鋪底模塊進行仿真分析。

2.2.1 靜止狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析

考慮極限荷載的工況為自身質(zhì)量 120 t 的無軌膠輪支架搬運車滿載 120 t，即總質(zhì)量 240 t 從巷道鋪底模塊上碾過。搬運車共 8 個輪子，理想狀態(tài)下載荷平均分配，單輪載荷為 294 kN。考慮到巷道施工現(xiàn)場的復(fù)雜性，為保證鋪底模塊的正常使用，安全系數(shù)設(shè)為1.5。因此，仿真分析時，取單輪載荷為 441 kN。

為選取合適厚度的鋪底模塊，分別對厚度為10、15 和 20 mm 的鋪底模塊進行仿真分析。假設(shè)滿載的車輛處于靜止狀態(tài)，停放在鋪底模塊之上，對鋪底模塊和輪胎建模，劃分網(wǎng)格，如圖 3 所示。對模型定義接觸，并添加約束、載荷和邊界條件。

圖3 鋪底模塊模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division of mat module model

2.2.2 運動狀態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析

鋪底模塊鋪設(shè)后需滿足車輛等的行駛要求，所受載荷除垂直方向的壓力外，在車輛行駛時還有水平方向的摩擦力。巷道底板上的鋪底模塊由螺栓相互連接，因此接口部分及螺栓的選取尤為重要。為精簡計算量，提高效率，對模型進行簡化。由靜止狀態(tài)時應(yīng)力分析可知，輪胎對鋪底模塊的應(yīng)力主要分布在 110 mm×500 mm 的長方形區(qū)域內(nèi)。假設(shè)輪胎與鋪底模塊接觸面理想化，那么載荷在長方形區(qū)域內(nèi)均勻分布。取摩擦因數(shù)為 0.3，單輪載荷為 441 kN，則摩擦力為 132 kN。構(gòu)建 2 塊相連接的鋪底模塊模型進行仿真分析，分別選擇 M12、M16 和 M20 的螺栓，對其整體劃分網(wǎng)格，施加垂直荷載 441 kN、水平荷載 132 kN，如圖 4 所示。

圖4 鋪底模塊連接圖 (M16 螺栓)Fig.4 Connection of mat module (M16 bolt)

2.2.3 危險區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變分析

煤礦巷道內(nèi)情況復(fù)雜，為確保鋪底模塊的正常使用，選取多個危險區(qū)域進行仿真分析，觀察其應(yīng)力與應(yīng)變分布。構(gòu)建 2 塊相連接的鋪底模塊模型，螺栓為M16，整體劃分網(wǎng)格，定義約束，并在如圖 3 所示的2 個區(qū)域施加載荷，求解其應(yīng)力與應(yīng)變的分布，判斷鋪底模塊在服役期間是否發(fā)生了失效的情況。

圖5 鋪底模塊受力情況Fig.5 Stress status of mat module

在前面的工況中，假設(shè)路面是平整的，然而在實際情況下，即便在鋪底之前路面已經(jīng)經(jīng)過平整，但仍會有少量凹凸不平的位置存在。因此，考慮極限情況，即危險區(qū)域恰為路面不平整區(qū)域，此區(qū)域地面不會對鋪底模塊提供支持力，如圖 6 所示，黑色區(qū)域與地面無接觸。在極限工況下，對鋪底模塊進行仿真分析，觀察其服役情況。

圖6 極限工況下鋪底模塊與地面接觸情況Fig.6 Contact status between mat module and road surface in limit operation mode

3 分析與討論

巷道內(nèi)的鋪底模塊是由環(huán)氧樹脂復(fù)合材料通過擠拉成型工藝制備而成。復(fù)合材料的強度問題非常復(fù)雜，不僅與材料本身的固有性質(zhì)有關(guān)，還在一定程度上受組分材料的含量、界面黏結(jié)狀態(tài)等影響[5]。在此采用簡化后的 Hill-蔡強度理論，以最大拉應(yīng)力理論結(jié)合材料在極限荷載下的應(yīng)力與應(yīng)變情況對鋪底模塊服役時是否失效進行分析討論，取應(yīng)變 5×10-3作為

鋪底模塊的極限承載力臨界值。

3.1 靜止狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果分析

在極限荷載的工況下，當單輪載荷為 441 kN時，靜止于厚度分別為 10、15 和 20 mm 的鋪底模塊上，仿真分析的結(jié)果如圖 7 所示，其受力區(qū)域主要集中于 110 mm×500 mm 的長方形區(qū)域。由分析結(jié)果可知，鋪底模塊最大主應(yīng)力隨著厚度的增加而減小，厚度為 20 mm 的鋪底模塊最大主應(yīng)力為 5.19 MPa。根據(jù)最大拉應(yīng)力理論，這3 個厚度的鋪底模塊均未發(fā)生斷裂破壞，其應(yīng)變?nèi)绫?2 所列，最大主應(yīng)變均在材料的極限承載范圍內(nèi)，且隨著厚度的增加而減小。厚度為 20 mm 的鋪底模塊最大主應(yīng)變?yōu)?6.75×10-4。

表2 不同厚度鋪底模塊的應(yīng)變Tab.2 Strain of mat module with various thickness

圖7 最大主應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of maximum main stress

3.2 運動狀態(tài)下應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果分析

極限荷載工況下，單輪在鋪底模塊上滑動，鋪底模塊受到垂直向下的壓力和水平方向的摩擦力。由圖 7 可知，受力區(qū)域為 110 mm×500 mm 的長方形區(qū)域。在理想化狀態(tài)下，載荷在區(qū)域內(nèi)均勻分布。取 2塊 20 mm 厚的鋪底模塊，分別由 M12、M16、M20的螺栓連接，建立仿真模型，應(yīng)力分析結(jié)果如圖 8 所示，應(yīng)變分析結(jié)果如表 3 所列。由分析結(jié)果可知，20 mm 厚的 2 塊鋪底模塊分別用 4 顆 M12、M16 和 M20的螺栓連接時，最大主應(yīng)力分別為 44.78、18.51 和13.33 MPa，最大主應(yīng)變分別為 0.001 208、0.000 477和 0.000 344。由此可知，隨著螺栓尺寸的增大，鋪底模塊的最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)變減小。

表3 采用不同規(guī)格螺栓連接的鋪底模塊最大主應(yīng)變Tab.3 Maximum main strain of mat module connected with various-sized bolt

圖8 采用不同規(guī)格螺栓連接的鋪底模塊最大主應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of maximum main stress of mat module connected with various-sized bolt

在此工況下，M12、M16 和 M20 螺栓的最大主應(yīng)力分別 63.53、21.88 和 9.31 MPa，最大主應(yīng)變分別為 0.000 270、0.000 097 和 0.000 042。螺栓材質(zhì)為 45號鋼，抗拉強度為 600 MPa，屈服強度為 355 MPa，遠高于此工況下螺栓所受的應(yīng)力。

盡管使用 3 種不同規(guī)格的螺栓時，鋪底模塊最大主應(yīng)變都在極限承載范圍之內(nèi)，但是根據(jù)最大拉應(yīng)力理論，在使用 M12 螺栓連接 2 塊相鄰的鋪底模塊時，最大主應(yīng)力較大，可能發(fā)生斷裂破壞。而使用 M16 和M20 螺栓時，鋪底模塊所受的最大主應(yīng)力相差很小，故考慮成本等因素，使用 M16 螺栓更為合適一些。

3.3 危險區(qū)域應(yīng)力結(jié)果分析

考慮到煤礦巷道內(nèi)復(fù)雜的施工情況，為確保鋪底模塊的正常服役，另外選取 2 個危險區(qū)域進行仿真分析，觀察其受力情況。選取厚度為 20 mm 的 2 塊鋪底模塊，由M16 螺栓相連，分別在鋪底模塊的邊緣區(qū)域和 2 塊鋪底模塊的中間區(qū)域施加載荷，最大主應(yīng)力分析結(jié)果如圖 9 所示。由分析結(jié)果可知，在邊緣區(qū)域施加載荷時，最大主應(yīng)力為 42.38 MPa，位于底紋處；在中心區(qū)域施加載荷時，最大主應(yīng)力為 18.04 MPa，位于螺栓孔處。此工況下鋪底模塊及螺栓的最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)變情況如表 4 所列，各部分的最大主應(yīng)變均在極限承載范圍之內(nèi)，并且根據(jù)最大拉應(yīng)力理論，各部分最大主應(yīng)力亦小于材料屈服強度。

圖9 最大主應(yīng)力分布Fig.9 Distribution of maximum main stress

表4 鋪底模塊及螺栓的最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)變Tab.4 Maximum main stress and maximum main strain of mat module and bolt

在極限工況下，危險區(qū)域恰為地面不平整區(qū)域，此時仿真分析的結(jié)果如圖 10 所示，危險區(qū)域最大彎曲應(yīng)力分別為 200.16 和 19.93 MPa，在鋪底模塊的極限承載范圍之內(nèi)。參考玻纖增強環(huán)氧樹脂的 S-N 曲線[6]，鋪底模塊的循環(huán)次數(shù)均可在 106 次以上，使用壽命較長。因此，20 mm 厚度的鋪底模塊和 M16 的螺栓即可滿足煤炭巷道內(nèi)各種工況的使用要求。

圖10 極限工況下應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution in limit operation mode

4 結(jié)論

針對煤礦巷道技術(shù)要求，設(shè)計了鋪底模塊，運用有限元分析軟件 UG/NX Advanced Simulation，通過簡化鋪底模塊被自身質(zhì)量為 120 t 膠輪車滿載 (總質(zhì)量為240 t) 的碾壓過程，分析了鋪底模塊在車輪碾壓 3個不同位置時危險區(qū)域的等效應(yīng)力分布、變化趨勢以及失效風(fēng)險，大大提高了研發(fā)效率。分析結(jié)果表明，鋪底模塊在 120 t 膠輪運輸車滿載碾壓過程中，危險點最大等效應(yīng)力遠遠低于其材料屈服強度，未發(fā)生失效。此外，對比了使用 M12、M16、M20 螺栓時鋪底模塊的應(yīng)力狀態(tài)，表明 M16 的螺栓即可滿足正常工況下的使用要求。