地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

寇鵬德

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

由于地下無軌采礦設(shè)備通常情況下在露天場地使用，具有高頻率作業(yè)、現(xiàn)場振動大以及容易受周圍強電磁干擾的特點，極易造成不穩(wěn)定故障的出現(xiàn)[1]。隨著當下對礦產(chǎn)資源需求量的提升，采礦工作開始進入掠奪式階段，傳統(tǒng)地下無軌采礦設(shè)備已經(jīng)無法滿足地下無軌采礦的現(xiàn)實需求，導(dǎo)致地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)越來越大[2]。因此，在本文進行的地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，必須對采礦設(shè)備的使用工況以及受力特點進行分析，明確采礦設(shè)備橫梁承受對稱載荷以及橫梁受力，在此基礎(chǔ)上，對腹板進行加固。考慮到地下無軌采礦設(shè)備中的平衡梁是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的關(guān)鍵部件，必須結(jié)合采礦設(shè)備橫梁及其附件之間的約束關(guān)系，利用有限元分析、施加載荷及約束、網(wǎng)格劃分、靜態(tài)應(yīng)力分析以及疲勞分析，綜合分析地下無軌采礦設(shè)備出現(xiàn)安全隱患的具體原因。在明確采礦設(shè)備形成安全隱患具體原因的基礎(chǔ)上，通過簡化繼電器線路以及加固腹板，致力于從根本上提高地下無軌采礦設(shè)備的質(zhì)量。

1 地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1 地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化

在簡化地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)的過程中，首先，分析地下無軌采礦設(shè)備的PLC功能結(jié)構(gòu)，其中主要包括：油泵啟停、旋鎖開閉以及不同尺之間的轉(zhuǎn)換。針對地下無軌采礦設(shè)備線路輸入及輸出點的情況進行梳理，利用點對點的控制方式，對采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)進行有效簡化。本文對地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化的具體方式為：對電磁閥動作以及油泵電機進行控制，從而在根本上減少電纜線芯的使用次數(shù)。簡化后的地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)可通過下達地下無軌采礦設(shè)備油泵啟動、旋鎖指令以及20尺與40尺之間的轉(zhuǎn)換指令，直接在OFDT TENFHS SP20TMPV主SP40REQ程序中設(shè)置指令鎖存以及到位切除指令[3]。可以將地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)簡化的SP60-1S指令看做一個脈沖，因此只需要FT20CND以及FT40CND在OFDT TENFHS SP20TMPV中進行類似指令即可完成20尺與40尺之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)地下無軌采礦設(shè)備線路結(jié)構(gòu)的簡化。簡化完成的地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)由于減少了電纜線芯的使用次數(shù)，能夠降低采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定出現(xiàn)故障的幾率，完成采礦設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡化設(shè)計。

1.2 地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)加固

為解決采礦設(shè)備在地下無軌采礦投入使用過程中，在整體結(jié)構(gòu)中的上蓋板端頭與腹板焊縫處很容易出現(xiàn)裂紋的問題，本文采用設(shè)備結(jié)構(gòu)加固設(shè)計的方法，提升采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全性能。可以通過在腹板末端延長10mm的位置切割出寬度為10mm的缺口，并開坡口，在接長部分內(nèi)側(cè)加襯墊進行焊接，從而確保設(shè)備結(jié)構(gòu)加固質(zhì)量。設(shè)備結(jié)構(gòu)加固時所需的加熱溫度可用點溫度儀測定，或根據(jù)鋼板顏色來進行判斷，700℃～800℃的鋼板呈櫻桃紅色。設(shè)備結(jié)構(gòu)加固示意圖，如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)加固示意圖

通過圖1可知，在地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)加固過程中，必須準備4塊ACQ446C的鋼板、2塊ACQ345C的鋼板，分別加固在設(shè)備結(jié)構(gòu)的焊接處開坡口。通過對結(jié)構(gòu)進行整體加固，設(shè)備在進行地下無軌采礦時結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力必然增加，可以近似材料的屈服極限。一旦發(fā)現(xiàn)地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凹陷部位，必須第一時間對凹陷部位進行矯正。具體校正方法可通過將中間帶有圓孔的鋼板焊在凹部拉出。為得到不同工況下的地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)強度應(yīng)力校核，明確影響地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)硬度的重要指標。通過為降低地下無軌采礦設(shè)備的溫度，避免由于溫度過熱影響地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)強度。在本文設(shè)計的地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，在腹板前添加了隔熱板，并且在每根管子的前端設(shè)置防護套管。這樣一來，與傳統(tǒng)地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)相比，設(shè)計地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)外環(huán)與殼程、管程的筒體短節(jié)做成一體，其周邊與筒體短節(jié)均采用較大的轉(zhuǎn)角過渡，外環(huán)與內(nèi)環(huán)采用平滑的對接焊。通過這種方法設(shè)計的地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)，與殼體連接的周邊具有較大的柔性，能夠綜合改善地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)的受力狀況。考慮到強度應(yīng)力校核過程中地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)間有溫差情況下所承受的壓力和溫度差均較大。因此，本文優(yōu)化的地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)采用薄管板，定義管板長、管板寬、管板厚度為設(shè)計變量，為了使參數(shù)變化時能夠合理的建立出來，限定這些參數(shù)在合理的范圍內(nèi)。本文在地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)VB選擇框中，進行機械應(yīng)力分析，然后設(shè)定管、殼程壓力即可生成七種工況的宏文件，運行該文件求解完成后進入Design Opt模塊設(shè)定變量。在優(yōu)化分析中，定義應(yīng)力中的最大應(yīng)力SMAX為狀態(tài)變量，使其最大應(yīng)力必須要滿足地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)抗拉強度的要求。

2 對比實驗

2.1 實驗準備

根據(jù)上述對地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，進行仿真實驗。本次實驗內(nèi)容為測試兩種采礦設(shè)備的最大承受應(yīng)力。最大承受應(yīng)力作為衡量采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵指標，可借此判定采礦設(shè)備運行的可靠性能。本文實驗采用Workbench仿真軟件求得兩者的最大承受應(yīng)力，分別使用傳統(tǒng)地下無軌采礦設(shè)備以及本文優(yōu)化設(shè)計后的地下無軌采礦設(shè)備進行對比實驗，設(shè)置傳統(tǒng)的采礦設(shè)備為實驗對照組。共選取5個測試點位進行實驗，從而評定最大承受應(yīng)力更高，強度性能更好的地下無軌采礦設(shè)備。

2.2 實驗結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計的實驗步驟，采集5個測試點的實驗數(shù)據(jù)，將兩種采礦設(shè)備的最大承受應(yīng)力進行對比，最大承受應(yīng)力對比結(jié)果，如下圖2所示。

圖2 最大承受應(yīng)力對比圖

通過圖2可得出如下的結(jié)論：本文優(yōu)化設(shè)計的采礦設(shè)備最大承受應(yīng)力最高可達285.42Mpa，實驗對照組最高僅為161.23Mpa，設(shè)計的采礦設(shè)備最大承受應(yīng)力始終高于實驗對照組，可以實現(xiàn)對地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過驗證結(jié)果證明，所優(yōu)化設(shè)計的地下無軌采礦設(shè)備其最大承受應(yīng)力可以滿足優(yōu)化設(shè)計總體要求，可以廣泛應(yīng)用于地下無軌采礦工作中。

3 結(jié)語

地下無軌采礦設(shè)備由于在地下無軌采礦中長時間工作的原因容易產(chǎn)生扭曲變形，對其自身安全性能存在威脅。由于在加工好焊接前沒有徹底消除內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)焊接成腹板后內(nèi)應(yīng)力疊加，從而產(chǎn)生波浪變形。因此，對地下無軌采礦設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是針對地下無軌采礦設(shè)備進行保護的最實用和最可靠的方法。地下無軌采礦設(shè)備的安全性能無論是對于采礦企業(yè)還是工作人員都很重要，針對采礦設(shè)備繼電器線路簡化以及腹板加固可以大幅度提高采礦設(shè)備安全質(zhì)量。通過以上進行的優(yōu)化設(shè)計，希望能夠為確保地下無軌采礦設(shè)備安全方面提供學(xué)術(shù)意義。