移動式瓦斯管路專用起重設備的結構FEA設計

袁文豐，張紅飛

(山西三元福達煤業有限公司，山西 長治 046300)

在煤礦井下安裝和拆卸瓦斯管路的過程中，目前所采用的仍然是手拉葫蘆等簡易的起吊工具[1]，導致安裝和拆卸的工藝流程復雜且效率低，工人不僅承受了較高的勞動強度而且在安裝和拆卸過程中的安全性也得不到保障。為了解決上述問題，張兵提出了一種新穎的井下瓦斯抽放管路系統的吊掛施工方法[2]，但是這種方法并未從根本上解決瓦斯管路安裝和拆卸過程中出現的問題。因此，迫切需要研制出一種能夠在有限的井下空間中進行瓦斯管路安裝和拆卸的專用起重設備，該設備應力求輕便、高效且可移動，這樣不僅可降低勞動強度確保安全生產，而且可以提高生產效率，增加企業的經濟效益。

基于上述需求，設計了一種可移動式瓦斯管路拆裝起重設備，見圖1，2，該設備是從傳統的剪式舉升機[3-5]演化、改造而來，該設備能夠克服當前在井下瓦斯管路拆卸中所發生的突出問題，不僅可以滿足企業的需求，而且對人身安全提供了一定的保障，考慮到煤礦井下安全性的要求，該設備通過液壓進行傳動。首先采用經典的力學方法對瓦斯管路專用拆卸設備的結構進行了設計，分析了結構在最危險工況下的危險點的應力情況，結構分析過程采用了有限元分析方法，將待分析模型分解成兩個單元，單元之間通過節點相連，并建立了平面梁單元的本構方程，通過計算可知結構滿足設計要求，且具有較大的設計余量。

圖1 可移動式瓦斯管路拆裝起重設備主視圖

圖2 可移動式瓦斯管路拆裝起重設備左視圖

1 結構設計及參數

可移動式瓦斯管路拆裝起重設備的結構較為簡單，主要由兩個剪式的舉升結構組成，并由液壓缸提供動力。下面將對該結構在最危險工況下的危險點進行分析，以確保整體結構的安全性和穩定性。該設備最大可將瓦斯管舉升3.2 m，將瓦斯管舉至最高點時的工況見圖1，此時，支撐臂同水平面的夾角達到極限為α=60°.

確定本設計的最危險工況為將瓦斯管舉升至最高點時的情況，在此工況下需考慮載荷的偏心作用。因此，假設所有的載荷(一根瓦斯管的重量1 000 kg)全部集中在一根支撐臂上。此時的結構力學模型見圖3，支撐臂結構所選材料為Q345.

圖3 結構力學模型圖

2 結構有限元分析

根據力學模型，可將該結構所承受的載荷分解成兩部分，一部分是沿著軸線方向的載荷Fl，一部分為垂直于軸線方向的載荷Fv，其中Fl=F·sinα，Fv=F·cosα. 下面將分別基于上述兩個方向的載荷對結構進行基于傳統有限元理論的分析。

結構承受軸線方向載荷可參照力學的方法進行分析，結構應力計算如式(1)所示：

(1)

式中：

A—支撐臂橫截面積，A=b·h；

b—支撐臂橫截面寬，mm，取20；

h—支撐臂橫截面高，mm，取100.

下面對結構進行基于垂直方向載荷的有限元理論分析和相應公式的推導。

2.1 結構的離散化和編號

如圖4所示為結構在僅承受垂直與軸線方向載荷的有限元模型，將該結構離散化為兩個單元，節點位移及單元編號見圖5，支撐臂的參數為：E=200 GPa.

圖4 垂直于軸向方向結構力學模型圖

圖5 節點位移及單元圖

假設3個節點的位移分別為c，則節點位移列陣為：

q=[v1θ1v2θ2v3θ3]T

(2)

對分布載荷進行等效節點載荷計算，則有節點載荷列陣：

P=[Ry1Mθ1Ry2Mθ2FVMθ3]T

(3)

式中:

Ryi—由外載荷的作用而引起的節點力(i=1,2,3)；

Mθi—由外載荷的作用而引起的節點彎矩(i=1,2,3)，且Mθ3=0，Mθ2=Fv·l.

2.2 計算各個單元的剛度矩陣

(4)

式中：l—單元長度，mm，取923.76；

Iz—慣性矩。

根據式(4)中剛度矩陣的一般形式，可計算出各個單元的剛度矩陣如下：

2.3 建立整體剛度方程

組裝整體剛度方程并形成整體剛度方程為：

K·q=p

(5)

K=K(1)+K(2)

(6)

K=K(1)+K(2)=

則整體剛度方程為：

(7)

2.4 邊界條件求解

根據對本文結構設計問題的描述，該問題的邊界條件為：

v1=0，v2=0

將邊界條件的數值帶入式(7)的整體剛度方程中，經化簡后可得：

Ry1=Fv，Ry1=-2Fv，Mθ1=0，Mθ2=Fv·l

2.5 結構應力計算

根據計算可知，支撐臂所承受的最大彎矩為Mθ2，承受最大彎矩的位置為支撐臂的中間截面，因此，中間截面為最危險的截面，下面對中間截面所承受的載荷進行計算：

軸向應力計算：

彎矩產生的應力計算：

應力合成：

σ=σl+σv=142.89 MPa

結構許用應力，對于Q345，其許用應力的計算如下所示：

因此，σ<[σ]，證明結構強度滿足設計要求，結構設計合理，結構的安全余量較大可進一步采用優化設計方法對結構進行輕量化設計。

3 結 論

本文設計了一種能夠在煤礦井下進行瓦斯管路裝卸和安裝的專用設備，該設備能夠充分地利用井下空間，具有效率高的優點。從設備的結構安全性為出發點，對其結構進行了受力分析和應力計算，本文的計算過程采用了基于有限元的理論分析方法，將結構劃分成兩個梁單元，通過建立梁單元的剛度方程并組合求解，可計算出結構滿足設計要求，且具有較大的安全余量。

參 考 文 獻

[1] 李 增.煤礦井下斜巷瓦斯管路吊掛安裝技術的應用[J]. 建筑工程技術與設計, 2015(34): 275.

[2] 張 兵. 井下瓦斯抽放管路系統吊掛施工方法[J]. 山西建筑, 2014(28): 86-87.

[3] 顧金華. 超薄雙層大剪舉升機設計研究[J]. 科技展望, 2016, 26(32)：16-17.

[4] 黃火輝. 關于汽車舉升機的設計與研究[J]. 機電產品開發與創新, 2017, 30(1): 50-52.

[5] 王 禹, 孫 宇, 武 凱. 分離式便攜汽車舉升機剛度與強度分析[J]. 機械與電子, 2016, 34(7):34-37.