基于ANSYS巷道架棚機主梁結構安全性分析

王開軍

（國投新集能源股份有限公司口孜東礦，安徽 淮南232001）

0 引言

隨著綜采工作面生產能力和推進速度的提高，很多礦井都存在采掘接替緊張現象，采掘巷道的機械化快速掘進和支護成為礦井高產高效、安全生產的關鍵技術之一。機械化掘進具有連續掘進、工序少、效率高、速度快、施工安全、勞動條件好等優點而得到普遍使用，但配套的支護構建架設作業仍采用傳統人工作業方式，速度慢、安全系數低，制約了掘進速度的提高[1]。為此設計了新型巷道架棚機，實現了煤礦巷道棚梁支護的機械化作業，降低作業循環時間，加快掘進速度，從而緩和目前巷道掘進普遍存在的采掘失調矛盾現象[2]。主梁是架棚機最關鍵的部件之一，是工作平臺支撐裝置、架棚梁支撐裝置及油箱的主要承載裝置，其結構設計的合理性直接關系到架棚機能否安全穩定的工作。因此，本文利用ANSYS軟件對某新型巷道架棚機主梁進行了有限元分析，檢驗主梁結構設計能否滿足強度和剛度，為架棚機主梁的優化設計提供一定的依據。

1 新型巷道架棚機簡介

新型巷道架棚機集機械化作業、支護、運輸為一體，它利用巷道的頂部空間，吊掛在巷道頂部的單軌構件上，可以與綜掘裝備聯合作業。該設備的主要特點為：

1）由于該設備吊掛在巷道U型鋼單軌上，故其運行與巷道底板條件無關，不受巷道底板工況的影響；

2）該設備環境適應性較強，可滿足煤礦井下轉彎半徑在6m以上的水平巷道或者坡度小于15°的傾斜巷道的掘進支護作業；

3）該設備在確保了井下支護安全作業的同時，提升了掘進、支護架設作業的機械化水平，提高了掘進的效率，減輕操作人員的勞動強度；

4）該設備可以對新暴露頂板和側幫等進行臨時支護，但沒有配置迎頭防護盾裝置，不能有效的對掘進工作面迎頭處的巖石進行安全、自動的防護。

2 主梁的結構設計和材料選擇

主梁是整個新型巷道架棚機設備最關鍵的部件之一，是工作平臺支撐裝置、架棚梁支撐裝置及油箱的主要承載裝置，也是連接行走部分和工作部分的關鍵性部件，其結構如圖1所示。確保強度滿足要求的前提下，考慮到成本和結構輕量化，主梁采用了對稱結構設計和可拆卸結構設計方法。該主梁結構具有以下優點：

1）采用了對稱結構設計，提高了新型巷道架棚機整體安全性和穩定性。

2）整采用了可拆卸性設計，方便主梁運輸和零部件維修更換。

3）采用輕量化設計的原則，結構上大部分焊接件均為板件，充分利用材料的強度、剛度且減輕了重量。

考慮到主梁結構強度的重要性，主梁的材料采用高強度結構鋼Q550，其具有較高的屈服強度，良好的焊接性能和冷加工性能，廣泛應用于建筑、船舶、高壓容器、管材、線材、車輛、工程機械等[3-4]。Q550彈性模量2.09×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3，屈服強度為550MPa。

3 主梁有限元分析

3.1 有限元模型的建立

為了使主梁模型后期在ANSYS-Workbench中能夠快速劃分出高質量的網格，必須對主梁一些不必要的結構特征進行簡化，例如尺寸較小的倒角、圓角和螺紋孔等。利用SoildWorks建立主梁簡化三維模型，另存為通用格式，并將其導入到ANSYS-Workbench模塊中，然后加載Q550材料屬性，最后選取Solid186單元對其進行網格劃分[5]，得到如圖2所示的主梁有限元模型。

圖1 主梁結構圖

圖2 主梁有限元模型圖

3.2 約束和載荷加載

主梁在煤礦巷道架棚支護作業中，主梁前后兩端鉸接孔固定不動，故在靜力學強度分析中，應將鉸接孔施加X、Y、Z三個方向上的位移約束。在架棚機正常架棚支護作業中，主梁受到迎頭防護盾、架棚梁支撐裝置重力和工作平臺上的載荷引起的扭矩，其受力簡圖如圖3所示。主梁受到迎頭防護盾、架棚梁支撐裝置重力為60kN，其作用點距主梁左端固定點為5.8m。其次，主梁受到工作平臺的載荷為90kN，其作用點距主梁左端固定點為2.2m。為了方便在主梁上加載載荷，需要對其所受載荷進行適當等效及簡化。根據力矩平衡原理，主梁受到的力等效為大小分別為450kN、150kN的兩個力，其作用點離主梁左端固定點距分別為0.6m、2.2m。

故在分析過程中，只需加載450kN和150kN的力即可。此外，由于主梁結構尺寸和重量較大，還需要考慮主梁自身重力的影響。完成上述過程，可以得到如圖4所示的主梁約束和載荷加載圖。

圖3 主梁受力簡圖

圖4 主梁約束和載荷加載圖

3.4 結果分析

提取出應力以及位移分析云圖如圖5和6所示。

圖5 應力云圖

圖6 位移云圖

由應力云圖可知，主梁最大應力強度發生在主梁后端的鉸接孔處，其應力值為487.99MPa，小于材料Q550的屈服強度550MPa，滿足強度要求。由位移云圖可知，主梁最大位移發生在主梁兩段的側翼上，其位移值為2.9311mm，符合設計要求，并且主梁整體變形比較均勻，無變形突變點[6]。但本設計主梁結構強度安全系數為1.12，下一步還需要對主梁結構進行改進優化，可采取對主梁結構強度薄弱點處的部件增加厚度、焊接加強筋等措施。

4 結束語

主梁作為架棚機主要受力承載件，關系到整機設備的安全與可靠性，因此對主梁的強度和安全性能要求很高，所以在完成主梁結構設計后，需要利用ANSYS軟件對支撐臂進行應力和應變分析。通過對主梁進行靜態強度分析得到，主梁的最大應力為487.99MPa，未達到材料的屈服強度值550MPa；主梁最大位移發生在主梁兩段的側翼上，其位移值為2.9311mm，且主梁整體變形比較均勻、無變形突變點，符合設計要求。下一步應對主梁結構強度薄弱點進行分析，提出了主梁結構合理改進措施，以減小應力，增大主梁的安全系數。為主梁臂結構改進優化設計提供參考，也有助于后期對巷道架棚機整體結構進行優化。

［1］程居山.礦山機械[M].徐州:中國礦業大學出版社,1997.

［2］徐鎖庚.綜掘工作面機載式臨時護頂機的設計研究[J].煤礦機械,2008(5):1-3.

［3］伍玉嬌.金屬材料學[M].北京:北京大學出版社,2011.

［4］張曉燕.材料科學基礎[M].北京:北京大學出版社,2009.

［5］曾攀.有限元分析及應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

［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.