基于ANSYS巷道架棚機支撐臂結構分析

趙文友

（淮南礦業集團顧橋礦， 安徽 淮南232151）

隨著現代煤礦生產逐步實現機械化的同時，對安全和效率的要求不斷提高。在過去的煤礦井下生產過程中，頂板會發生下沉、離層現象，采用錨索網支護是無法施工的，人工錨索網支護施工工藝復雜、環節多、效率低、支護速度慢，而且工人勞動強度大、安全性能差，威脅工人的安全，嚴重制約礦井安全生產。為了適應高產高效礦井的發展，設計出了巷道架棚機，因其具有連續掘進、工序少、效率高、速度快等特點，越來越多地用于巷道架棚安裝施工。架棚梁上放置一定量支護頂梁，由支撐臂托舉架棚梁上下升降到達相應安裝位置，人員在工作平臺上完成架棚的安裝，在這個過程中支撐臂承受架棚梁、防護盾及支護頂梁的重量，若支撐臂結構設計不合理，則在支撐臂的薄弱部位會發生應力集中，威脅施工人員的安全。因此對支撐臂進行結構分析，確保支撐臂強度滿足要求，有助于提高施工的安全性和巷道開拓效率，對提高煤炭產量起到一定的推動作用［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構，采用厚鋼板主要目的是為了增加支撐臂的黏著質量。對巷道架棚機支撐臂進行建模，其具體參數參見表1。

結合某煤礦巷道架棚機實體、相關技術要求和國標，建立支撐臂整體三維模型，如圖1所示。

2 支撐臂靜態結構分析

2.1 有限元模型建立

將支撐臂三維模型模型另存為.step格式并導入ANSYS－Workbench中，使用Solid186單元類型進行網格劃分獲得如圖2所示的有限元模型，此處經過分析比較，發現單元格尺寸為100mm時即可保證分析精度，節點數為28 698個，單元數為15 318個。Solid186具有任意的空間各向異性，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力鋼化、變形和大應變能力。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 巷道架棚機支撐臂具體參數

圖1 支撐臂三維結構圖

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度大小的決定性因素，材料的性能直接關系到支撐臂是否滿足強度和安全要求。支撐臂所使用材料為Q550號鋼，其楊氏模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度為550MPa。Q550是一種高強度低合金鋼，具有較高的屈服強度，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變溫度，廣泛應用于建筑、船舶、高壓容器、管材、線材、車輛、工程機械等行業［4－5］。

2.3 載荷和邊界條件加載

結合巷道架棚機支撐臂的實際工作情況，支撐臂在工作過程中主要是承載架棚梁、防護盾及支護頂梁的重量，因此，支撐臂所受到的力主要來源于架棚梁、防護盾及支護頂梁的疊加自重。考慮到支撐臂本身也含有一定的自重，通過等效分析最終得出在支撐臂前端的鉸接孔內施加101kN的作用力，其載荷加載如圖3所示。

圖3 載荷加載圖

對巷道架棚機支撐臂進行靜態結構分析，還需要根據支撐臂運行情況，對其進行必要的位移約束，在支撐臂后端的三個鉸接孔內分別施加三個方向上的位移約束，即UX＝0，UY＝0，UZ＝0，如圖4所示。

圖4 位移約束加載圖

2.4 結果分析

對巷道架棚機支撐臂靜態結構分析得到結果如圖5和圖6所示。支撐臂的功能是支撐架棚梁和執行架棚梁升降動作，支撐臂相當于一根懸臂梁，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生應力集中。對支撐臂的強度研究，重點關注其所受的最大應力強度和最大應力產生的部位，以確定其最大應力強度是否超出材料的屈服強度。

圖5 應力強度圖

圖6 總位移圖

由圖5可得，支撐臂在工作時產生的最大應力強度為340.9MPa，最大應力位置位于支撐臂下板的圓角過渡處；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，上述基本符合真實情況。

支撐臂的最大應力為σvonMise＝340.9 MPa，根據強度理論，

式中：S為安全系數；

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

依據相關文獻查詢，支撐臂的安全系數S一般為1.5，則：

以上分析說明，支撐臂滿足實際工程需要，也驗證了支撐臂的設計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盾的承載體，關系到施工人員的安全，因此對支撐臂的強度和安全性能要求很高，所以在完成支撐臂結構設計后，利用ANSYS軟件對支撐臂進行應力分析。通過對支撐臂進行靜態強度分析最終得到，支撐臂的最大應力為340.9 MPa，未達到材料的屈服強度值550MPa，且具備符合要求的安全系數，滿足強度要求，進一步驗證了支撐臂結構設計是合理和準確的。下一步還需對支撐臂上應力較大部位進行分析，提出合理改進方法，以減小應力，增大支撐臂的安全系數。為支撐臂結構優化提供參考，也有助于后期對巷道架棚機整體結構進行優化。

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

［2］郭國平，李海峰.錨索抬棚在巷道支護中的作用［J］.科技情報開發與經濟，2012，22（8）：145－146.

［3］曾攀.有限元分析及應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［4］伍玉嬌.金屬材料學［M］.北京：北京大學出版社，2011.

［5］張曉燕.材料科學基礎［M］.北京：北京大學出版社，2009.

［6］陳清華，潘地林.帶式輸送機傳動滾筒的有限元分析及其優化設計［J］.煤礦機械，2004，（1）：12－15.