四角罐道彎矩及變形理論分析與應(yīng)用

楊福珍

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司礦井所，陜西 西安 710000）

副立井容器是礦井提升的關(guān)鍵設(shè)備，而四角罐道已成為設(shè)計(jì)井口井底金屬支持結(jié)構(gòu)中重要的組成部分[1]。目前，隨著巴拉素礦井容器載重和提升速度不斷增大，副井提升輔助運(yùn)輸材料及人員運(yùn)輸任務(wù)繁重[2]。為保證礦井大型提升設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，在副立井容器進(jìn)入井口或馬頭門水平時(shí)，四角罐道應(yīng)能承受容器產(chǎn)生的沖擊并預(yù)留足夠的安全系數(shù)，因此，對(duì)四角罐道的受力計(jì)算與橫截面選型成為設(shè)計(jì)井口井底金屬支持結(jié)構(gòu)的迫切需求。目前在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)四角罐道受力的明確計(jì)算公式作為設(shè)計(jì)參考。

1 巴拉素副立井四角罐道彎矩計(jì)算

1.1 主要設(shè)備

（1）非標(biāo)雙層寬罐籠。為了滿足液壓支架整體下井、無軌膠輪人車及8 t、10 t 無軌膠輪車直接進(jìn)罐的要求，副立井采用專門設(shè)計(jì)的非標(biāo)雙層寬罐籠，其罐道間距8.53 m，凈寬3.10 m，凈長(zhǎng)8.4 m，本體高度12.8 m。

（2）交通罐及平衡錘。交通罐罐道間距1.9 m，凈寬1.02 m，凈長(zhǎng)1.78 m，本體高度3.1 m。交通罐平衡錘罐道間距0.9 m，凈寬1.0 m，凈長(zhǎng)1.14 m，本體高度3.1 m，用于零星下人或重量不超200 kg小件的上下井。

1.2 四角罐道彎矩計(jì)算

巴拉素副立井提升罐籠的上盤與中盤間距為5314 mm，中盤與下盤間距為7011 mm。依據(jù)現(xiàn)有副井井筒圖紙做彎矩計(jì)算分析。寬罐四角罐道（一）與寬罐四角罐道（三）結(jié)構(gòu)形式相同，寬罐四角罐道（二）與寬罐四角罐道（四）結(jié)構(gòu)形式相同，取寬罐四角罐道（一）和寬罐四角罐道（四）分別做包絡(luò)圖計(jì)算分析后，找出四角罐道發(fā)生最大彎矩時(shí)的截面位置和荷載位置，截面和載荷位置見表1。

表1 截面和荷載位置

彎矩單位為N·mm，集中力取單位力1 N，截面位置和荷載位置標(biāo)注為桿件最左端的節(jié)點(diǎn)到截面的距離，單位為mm。

2 水平力測(cè)試方案設(shè)計(jì)

在基于上述彎矩分析的基礎(chǔ)上，在后期試驗(yàn)過程中，原則上應(yīng)將應(yīng)變片布設(shè)在四角罐道最大變形截面位置處，也即四角罐道所受到的最大彎矩的截面位置處?，F(xiàn)根據(jù)彎矩包絡(luò)圖和罐道截面尺寸、罐道材料、罐道結(jié)構(gòu)特性，計(jì)算四角罐道最大變形。

2.1 水平力測(cè)試方案甄選

2.1.1 方案一：水平力傳感裝置

方案一為在罐籠上安設(shè)水平力傳感裝置。將罐籠與四角罐道直接碰觸的下盤拆卸，裝上改造后的容器下盤。通過在罐籠與四角罐道接觸的下盤位置處增設(shè)力傳感器來測(cè)試出四角罐道對(duì)罐籠的水平力，共選取16 組力傳感器布設(shè)在容器上[3]。

方案一的測(cè)試方式能直接測(cè)得水平力數(shù)值，但操作難度較大，需要對(duì)立井提升容器做小范圍改裝處理，同時(shí)會(huì)對(duì)罐籠帶來結(jié)構(gòu)破壞和安全隱患。故該方案不適合作為四角罐道水平力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段。

2.1.2 方案二：三花應(yīng)變片

方案二即本文計(jì)算論證擬采用的測(cè)試方案。該方案擬定將三花應(yīng)變片[4-5]直接布設(shè)在四角罐道發(fā)生最大彎矩的截面位置處，同時(shí)采用DH3816N 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)收集應(yīng)變片反饋的壓力信號(hào)。

該方案對(duì)立井提升容器和四角罐道的結(jié)構(gòu)破壞程度降低到最小，同時(shí)由于四角罐道的結(jié)構(gòu)特殊性，應(yīng)變片能精準(zhǔn)測(cè)出罐道在角鋼焊帶處和接觸對(duì)角鋼處的應(yīng)力應(yīng)變特性。

從安全角度出發(fā)，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確的前提下，相較于方案一，方案二更適合作為立井四角罐道的水平力測(cè)試手段，因此選擇方案二作為四角罐道水平力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案。

2.2 截面尺寸及鋼材模量選型

以下計(jì)算過程依據(jù)副立井井筒提升設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)中盤和下盤同時(shí)經(jīng)過罐道[6]時(shí)計(jì)算罐道所受的最大應(yīng)變，并校核應(yīng)變值是否滿足120-3CA型三向免焊接應(yīng)變花測(cè)試精度。

四角罐道采取角鋼對(duì)焊的形式，采用Q345A鋼材材質(zhì)，其彈性模量E取Q345A 鋼材彈性模量值216×109Pa，截面慣性矩為Ix=19 093 333.328 2 mm4和Iy=48 878 933.25 mm4。

用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算該工況下的豎向位移量，此時(shí)取P=20 000 N 并分別作用在四角罐道x方向和y方向，校核在x、y方向的截面應(yīng)變是否達(dá)到應(yīng)變片測(cè)試精度要求。

2.3 截面應(yīng)變值計(jì)算

取寬罐罐道一第二段分析最大彎矩截面處變形值。寬罐四角罐道一第2 段鋼構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1，罐道一第二段發(fā)生最大彎矩時(shí)，對(duì)應(yīng)的集中力作用位置在（2）跨區(qū)域距離2 節(jié)點(diǎn)2 552.84 mm 和（4）跨區(qū)域距離4 節(jié)點(diǎn)6 780.16 mm 的位置處。

圖1 寬罐四角罐道一第2 段鋼構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖（mm）

此時(shí)當(dāng)兩個(gè)集中力P=20 000 N 作用在圖1 所示節(jié)點(diǎn)時(shí)，發(fā)生罐道最大彎矩處的彎矩?cái)?shù)值為M=24 431.66 N·m，核算2 節(jié)點(diǎn)處的正應(yīng)力σ以及2 節(jié)點(diǎn)處截面在x、y方向的應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

最大彎矩截面處x方向的最大正應(yīng)力以及應(yīng)變：

現(xiàn)采用的120-3CA 型三向免焊接應(yīng)變花可用于測(cè)試構(gòu)件截面應(yīng)變值大于1/106 材料原尺寸的應(yīng)變值，x和y方向的應(yīng)變精度均滿足應(yīng)變片測(cè)試精度要求。

2.4 測(cè)試儀器

應(yīng)變片采用三向應(yīng)變花，型號(hào)為120-3CA 免焊接應(yīng)變花，具有三個(gè)不同軸向敏感柵的電阻應(yīng)變計(jì)，可確定平面應(yīng)力場(chǎng)中主應(yīng)變的大小和方向。該應(yīng)變花適用于鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。主應(yīng)變的大小和方向可以用三軸應(yīng)變花的各敏感柵測(cè)得的應(yīng)變，按公式算出，也可以從應(yīng)變莫爾圓求出。主應(yīng)力的大小，可以用各敏感柵測(cè)得的應(yīng)變，及被測(cè)構(gòu)件材料的彈性模量和泊松比按公式算出。

本次監(jiān)測(cè)采用DH3816N 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，外形尺寸：360 mm×320 mm×125 mm（長(zhǎng)×寬×高）便攜機(jī)箱。該系統(tǒng)是全智能化的巡回?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每個(gè)模塊60 測(cè)點(diǎn)，適用于測(cè)點(diǎn)相對(duì)較集中的模型及其他試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變應(yīng)力、壓力、扭矩、位移、溫度等物理量的測(cè)量[5-6]。

3 應(yīng)用效果分析

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采集到數(shù)據(jù)并建立模型分析后，可得到在足夠安全系數(shù)前提下最優(yōu)的四角罐道截面，并可提供更加精確的金屬支撐結(jié)構(gòu)套架動(dòng)態(tài)受力變化，可以在一定程度上優(yōu)化副井金屬支撐結(jié)構(gòu)的用鋼量。所采用的四角罐道總用鋼量同比以往設(shè)計(jì)減少15%，維護(hù)及更換頻次降低10%，節(jié)省投資約150 萬元，既對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)提供了有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)可降低井塔投資，達(dá)到了良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

本文針對(duì)巴拉素煤礦副立井提升系統(tǒng)四角罐道受力進(jìn)行分析。以寬罐四角罐道為例，對(duì)四角罐道結(jié)構(gòu)形式的水平力分析展開深入研究，得到如下結(jié)論：

（1）通過繪制罐道彎矩包絡(luò)圖分析罐道受力特性，得到寬罐罐道的最大彎矩及相應(yīng)的截面位置和荷載位置。具體為：寬罐道（一）第二段發(fā)生最大彎矩，對(duì)應(yīng)的截面位置距左端的節(jié)點(diǎn)2 552.84 mm，對(duì)應(yīng)的荷載位置距左端的節(jié)點(diǎn)9 985.84 mm；寬罐道（四）第二段發(fā)生最大彎矩，對(duì)應(yīng)的截面位置距左端的節(jié)點(diǎn)4 103.16 mm，對(duì)應(yīng)的荷載位置距左端的節(jié)點(diǎn)5 895.16 mm。

（2）針對(duì)中盤和下盤同時(shí)經(jīng)過罐道時(shí)的工況，計(jì)算得到了罐道在荷載20 kN 條件下所受到的最大應(yīng)變。具體為：x 方向應(yīng)變?yōu)?26 倍應(yīng)變片精度；y方向?yàn)?04 倍應(yīng)變片精度。均大幅滿足120-3CA 型三向免焊接應(yīng)變花測(cè)試精度，該運(yùn)行荷載可在后期試驗(yàn)中被準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

（3）通過對(duì)模型計(jì)算找到最大載荷截面位置，后續(xù)將采用三花應(yīng)變片對(duì)四角罐道各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行測(cè)試，通過大量多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，建立模型并進(jìn)行分析，得到適合該礦井的合理四角罐道截面特征，為金屬支撐結(jié)構(gòu)套架布置設(shè)計(jì)及四角罐道設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)支撐，在今后類似終端載荷礦井金屬支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有指導(dǎo)意義。