托頂煤快速掘進臨時支架的有限元分析

程富明，韓忠利，劉建勝，曹秀龍，韓曉明，魯忠良

（1.霍州煤電集團 河津騰暉煤業有限責任公司，山西 河津 043300；2.霍州煤電集團 晉南公司機電處，山西 河津 043300；3.河南理工大學，河南 焦作 454000）

煤礦生產中放頂煤生產工藝的采煤工作面上下2個煤巷主要是沿煤層底板掘進，而綜掘工作面迎頭巷道采用的臨時支護是1種極為有效的提高掘進效率和現場安全性的掘進工藝。由于掘進機截割工作的特點決定了掘進工作面必然有一定的空頂距存在，且空頂區域頂板應力狀態較為復雜。如采用臨時支護進行及時有效的支護，可以避免傳統工藝中每截割出1個許用空頂距長頂板就必須使用錨桿鉆機進行巖體加固作業的問題，減小綜掘機械工作時的擾動、錨桿支護時的應力變化和頂板自身壓力變化對巷道圍巖變形、位移和破裂的影響[1-4]。

在錨網支護中使用傳統前探梁臨時支護進行絞頂作業時，通常采用特制的梁爪、鋼管、大板和木楔對空頂區進行臨時支護，作業人員完全處于空頂下作業，空頂時間太長，不能及時對空頂區進行臨時支護，而且傳統前探臨時支護在頂板來壓時沒有初撐力，不能及時有效地控制頂板，絞接頂后，對頂板的初撐力又無法滿足。為此，在煤礦綜掘工作面使用的掘進設備基礎上，研制開發與其配套的托頂煤快速掘進臨時支架支護技術及設備[5-9]，即：托頂煤快速掘進臨時支架，實現對掘進機截割新裸露頂板的及時支護，即無空的頂板，又擴大了頂板的支護面積；即臨時保護作業空間內人員及設備的安全，又使很多工藝又可平行作業，縮短支護的作業時間，提高掘進支護作業效率，加快掘進工作面的掘進速度。為了保證施工的掘進工作面的工人安全，利用Solidworks軟件對制造的托頂煤快速掘進臨時支架進行了校核及分析，證明新研制的托頂煤快速掘進臨時支架是安全和可靠性的。

1 托頂煤快速掘進臨時支架簡介

1種綜合機械化掘進內伸縮頂梁（201920882002.6）[10]在2020年3月27日獲得國家知識產權局授權，托頂煤快速掘進臨時支架是基于本專利的基礎上設計而成。

托頂煤快速掘進臨時支架是由內架總成、外架總成、內、外支腿油缸、行走油缸、糾偏油缸，輔架、液壓管路和液壓系統等組成，總體結構圖如圖1。

圖1 總體結構圖Fig.1 A frame of the overall structure

外架總成是由外架框架、滑輪總成，支腿油缸等組成，外架總成如圖2。外架框架是由材質為Q235-A、16#工字鋼焊接而成，支腿柱子是由10#方管焊接而成。外架總成是由油缸來執行動作，外架可升高或降低，外架在工作前，先把錨網鋪在外架上面，由外架將錨網送到頂板位置，進行支護工作。

圖2 外架總成Fig.2 The overall diagram of external support

3）網格劃分。網格劃分的數量要適中，如果劃分的網格密度太大，就會對計算機的性能要求高，計算機進行劃分的時間就會太長，如果劃分的網格密度太小，那么計算后的精度會降低，劃分網格后的結構如圖7。

圖3 內架總成Fig.3 The overall diagram of inner support

2 托頂煤快速掘進臨時支架的建模及有限元分析

在框架頂部上端面的前部承受負載的工況下，模型應力應變情況分別如圖9。

2.1 模型建立

Solidworks是Windows環境下的一款用于三維設計的軟件，因其具有簡單方便的操作界面和可以輕易掌握的操作方式而被廣泛應用于零件的建模設計。功能強大、易學易用和技術創新是Solidworks的3大特點，Solidworks也因此成為人們在進行三維CAD設計時的首要選擇軟件。

Solidworks運用參數化和特征造型技術，可以快捷的建立各種復雜的實體結構、迅速的將零件裝配形成裝配體并可以簡單方便的得到裝配工程圖。同時Solidworks也可以對裝配完成后的裝配體進行干涉檢測、碰撞檢測、生成爆炸圖、生成運動動畫等：運用Solidworks中的插件還可以進行管道設計、工程分析、高級渲染、數控加工等[17-19]。

在機械設計及其制造過程的中，機械工程的設計、制造和裝配的基礎就是三維實體模型的建立，首先來建立1個符合要求的，運動靈活的三維實體模型是虛擬裝配和干涉檢查以及后續有限元分析的基礎。

利用Solidworks三維實體建模軟件對快速掘進臨時支護設備的主要結構和零部件選型進行三維的實體結構建模。使用Solidwork建立三維模型的基本原則是先草繪出二維的圖形，再利用尺寸幾何約束和配合幾何約束，并且通過旋轉，掃描，拉伸，剪切，倒圓角等方式生成三維模型圖。幾何約束是用來確保所畫的圖形在草繪平面上具有正確的位置，尺寸約束是用來確保在草繪平面上所畫的圖形正確。

4個麥克風的空間位置分別為Mic1(L/2,0,0)、Mic2(0,L/2,0)、Mic3(-L/2,0,0)、Mic4(0,-L/2,0)。其中p代表聲源,其坐標為(x,y,z)。聲源到各麥克風的距離分別為r1、r2、r3、r4,假設聲信號以球面波方式進行傳播,聲信號到達陣列中各麥克風的時間分別為t1、t2、t3、t4。而Mic1、Mic2、Mic3、Mic4相對于Mic1的傳播時延分別是τ21、τ31、τ41。其中r、θ(0°≤θ≤90°)、φ(0°≤φ≤360°)分別表示聲源到原點的距離、俯仰角和方位角,C為聲速。

然后再利用Solidworks的裝配功能來進行虛擬的裝配并且一定要保證它們之間的相對運動關系而且還不能產生干涉。在裝配時，首先要分析出支架的各種零部件之間的裝配關系，然后再根據給定的關系進行自由度約束，最終將零部件安裝在正確的位置上。

由于裝配過程非常的麻煩且復雜，所以特別在總體裝配的過程中設置了子裝配，可以對垂直立柱和水平液壓缸進行子裝配，把它們都裝配完成后再進行總體裝配，這樣可以大大減少總體裝配的時間，提高裝配效率，從而獲得更高的經濟收益。

在裝配時，可以充分地利用Solidworks的裝配功能進行自由度約束，使得部分零部件能夠實現預定的運動，對于比較復雜的裝配體，其裝配過程如圖4。

圖4 裝配方法圖Fig.4 Schematic of the assembly method

利用圖4所示的裝配方法對快速掘進臨時支護設備的零部件和它的整體架構進行裝配。快速掘進臨時支護設備模型如圖5。

圖5 快速掘進臨時支護設備模型Fig.5 The temporary support model for rapid tunneling

2.2 有限元分析

ANSYS/workbench是在原有經典的ANSYS的工程設計基礎上新產生的CAE仿真設計環境。workbench的工程設計界面更為友好，使得設計者更為直觀的理解和進行工程設計。它包含了眾多的優化工程設計所需要的方法和模塊，例如被廣泛使用的有限元分析的工程設計模塊等，可以很好的實現與CAD之間的各種無縫數據共享和信息傳遞，ANSYS/workbench整合了ANSYS的一些非常實用的工程設計功能，能夠使前后處理操作和各項分析更加的簡單便捷可靠。ANSYS/workbench的一些比較突出的特點如下。

(1)推進實踐改革。隨著科學技術的高速發展和全球經濟一體化的迅猛推進，高校畢業生就業問題面臨著諸多挑戰，可喜的是挑戰中又孕育著眾多機遇。學校通過校企合作的模式，讓學生到企業親身體會和實踐。

1）雙向互動能力強。ANSYS/workbench軟件可以與其他同類的行業軟件緊密的進行銜接，可以很方便的進行軟件模型的直接導入，而且在目前市場上已經出現的同行業軟件模型導入軟件直接導入模型失敗的這種情況很少。

2）劃分網格能力強。ANSYS/workbench具有自動劃分網格的能力，它的劃分網格的能力十分強大，而且能節省使用者很多時間。

3）強大的自動識別能力。以往的裝配軟件在進行人工操作和建立各部件接觸關系的2個方面都會都非常麻煩，但是Ansy s/w orkbench在操作和裝配方面具有強大的功能和易用性，它在裝配時可以很方便地自動識別周圍各個零部件的位置和接觸關系，節省了大量的人工和時間，該軟件本身自帶了許多操作和編輯的工具，操作裝配時就可以很方便地手動編輯各部件的接觸面。

1.4 效果評價 分別在手術完成減壓后、減壓后2 h觀察患肢局部皮膚損傷狀況。止血帶損傷判斷標準:優，減壓后皮膚輕微壓痕紅腫，無水皰，肢體血運立即恢復;良，皮膚明顯壓痕紅腫，伴或不伴有少量小水皰，肢體血運立即恢復;差，減壓后皮膚大量水皰，部分破潰，肢體淤血性腫脹。

1）模型導入。根據快速掘進臨時支護設備的工作原理，將簡化后的框架模型導入ANSYSWorkbench中，快速掘進臨時支護設備簡化模型如圖6。

2.3 模型導入及設置

ANSYS/workbench的主要原理：將所要進行分析的節點和受力體關系看作是由具有無數個節點和無限小的受力體單元所連接構成的集合，該單元集合中各點之間的位移都存在著某種邊界聯系，物體主要靠這些點進行力的接受和傳遞。根據節點的位移和加入節點之間的位移邊界關系條件來首先建立1個加入節點的平衡位移方程式，再根據加入節點的位移和邊界關系條件對平衡位移方程組的形式進行求解。

從制作最初始的量角器到嘗試度量角的大小碰到量角的不方便，基于量角的需求，到最后完整量角器的誕生，學生一直在探索，這樣的學習充分激活了學生自主學習的主動性，在不斷的創造過程中不但體會到一種新的度量工具產生的全過程，還在矛盾沖突中學會了靈活量角的方法。

圖6 快速掘進臨時支護設備簡化模型Fig.6 The simplified model of temporary support for rapid tunneling

2）選擇材料。框架采用的工字鋼材質為Q235－A，其密度為7 860 kg/m3，屈服點為235 MPa，楊氏彈性模量為210 GPa，泊松比為0.288。

內架總成由內架框架，內架支腿油缸等組成，內架總成如圖3。內架總成是由材質Q235－A、16＃槽鋼焊接而成，支腿是由8＃方管焊接而成。內架總成由內架支腿油缸上下工作，其目的是為了把外架撐起來，讓外架行走自如，內架又稱輔助行走架。

圖7 模型網格劃分Fig.7 Meshing of the model

在超前支護設備頂梁承受均勻載荷的情況下，通過上述結果可知，根據頂梁變形分布云圖可以知道產生最大變形的位置是頂梁的中前部，總變形量為4.274 8 mm，根據頂梁應力云圖（圖略）可以看到最大應力集中在頂梁的中前部槽鋼聯接處，最大應力為99.349 MPa，而所選擇的材料屈服極限是235 MPa，因此頂梁在均布載荷工況下也是安全的[19]。

客套話有它的存在基礎，但不能太多。我們生活在一個人際關系高度黏稠的世界，一切自由都被人際關系裹挾，必須把見人主動說話當成禮貌，卻從不控制說話的質量。話語越來越多，卻越來越廉價，它們從溝通的使者變為實用的工具。人們天真地以為，通過語言的表象就可以達到溝通的目的，久而久之卻與生命的真實性漸行漸遠，讓原本的通途變成一座又一座的巴別塔。

3 仿真結果

3.1 均布載荷

此外，高校內部控制有兩個特點：其一，參與主體廣泛且主體素質較高。參與主體應該包括各級管理層以及全體教職工和學生。其二，控制制度種類多且缺乏參考標準。除國家和其他行政事業單位通行的內部控制法規、制度外，高校控制制度還包括特有的獎助學金等學生經費管理制度，教學、科研經費管理制度，學術活動管理制度以及其他經濟活動管理制度等。這些制度缺乏統一的參考標準，由各個大學自行制定。

框架的上端面承受均布載荷下，模型總變形情況如圖8。

圖8 模型總變形分析云圖Fig.8 The total deformation analysis diagram of the model

4）施加約束和載荷。設置框架支腿下端面為約束曲面，在框架的頂部端面施加150 kN的載荷。仿真求解后，得到在不同受載工況下模型的應力應變情況。

3.2 前部受載

托頂煤快速掘進臨時支架在工作時可能承受較大的壓力，這就要求其不僅要在基本功能上符合要求，同時在自身強度上也必須符合要求。為此，借助于Soldworks及ANSYS/workbench軟件，對快速掘進臨時支護設備進行建模和有限元分析，通過對快速掘進臨時支護設備進行靜應力分析，考察其在規定受力的情況下所產生的應力、變形、位移等情況是否滿足井下設計及其工作性能要求[11-16]。

圖9 模型總變形分析云圖Fig.9 The total deformation analysis diagram of the model

在超前支護設備頂梁前部承受載荷的情況下，通過上述結果可知，根據頂梁變形分布云圖可以知道產生最大變形的位置是頂梁的中前部，總變形量為9.479 1 mm，根據頂梁應力云圖可以看到最大應力集中在頂梁的中前部槽鋼聯接處，最大應力為163.69 MPa，而所選擇的材料屈服極限是235 MPa，因此頂梁前部在承受載荷工況下也是安全的。

3.3 前部承受偏載

在框架頂部上端面的前部一側承受偏載的工況下，模型不同部位的應力應變情況分別如圖10。

圖10 模型總變形分析云圖Fig.10 The total deformation analysis diagram of the model

在超前支護設備頂梁前部一側承受偏載的情況下，通過上述結果可知，產生最大變形的位置是頂梁的中前部，總變形量為9.506 1 mm，根據頂梁應力云圖可以看到最大應力集中在頂梁的中前部槽鋼聯接處，最大應力為182.07 MPa，而所選擇的材料屈服極限是235 MPa，因此頂梁前部承受載荷工況下也是安全的。

《道德經》的作者老子壽百歲，他說，“死而不亡者壽”，身雖死而不被遺忘的人，才算真正的長壽。這頗像“有的人死了，他還活著”的現代詩句。

4 結語

1）利用Solidworks軟件對制造的托頂煤快速掘進臨時支架進行了校核及分析，證明新研制的托頂煤快速掘進臨時支架是安全和可靠性的。

2）利用Solidworks軟件對對制造的托頂煤快速掘進臨時支架進行前部均布載荷變形校核可知產生最大變形及最大應力產生是頂梁的中前部的位置，根據總變形量和最大應力所選擇的材料，頂梁前部承受載荷工況下是安全的。

財政內控四級聯動、向基層挺進既是內蒙古的特點之一，也是內控整體布局的出發點。只有財政系統上下貫通、縱向到底，才能發揮內控的系統功效。為保持財政內控的整體推進態勢，內蒙古財政廳在先行先試的同時，重視推動盟市、旗縣財政內控建設。兩年來，從轉變作風入手，結合“兩學一做”活動，通過調研、培訓、召開座談會等方式，多次深入盟市、旗縣加強對基層財政內控工作的指導，足跡遍布各盟市，涉及眾多重點旗縣，基本實現了盟市與自治區在工作進度上的同步推進。

表1顯示：對B組運動前和運動后所測積極幸福感、心理煩惱和疲勞三項指標的平均分數分別為 18.22 分和19.28 分、10.00 分和 8.22分、12.06分和11.78 分，經配對樣本 T 檢驗分析所得，B組運動前和運動后積極幸福感得分高，且具有顯著性差異(P<0.05)，說明慢跑對大學生的積極幸福感獲得是有正向作用的。B組運動前和運動后心理煩惱感得分降低，且具有顯著性差異(P<0.05)，說明慢跑對大學生的心理煩惱感是有正向作用的。但是在疲勞得分方面，對運動前和運動后無顯著性差異(P>0.05)。

3）利用Solidworks軟件對對制造的托頂煤快速掘進臨時支架進行前部承受偏載校核，產生最大變形與最大應力集中在頂梁的中前部槽鋼聯接處的位置是頂梁的中前部，根據總變形量與最大應力與所選擇的材料的屈服極限，頂梁前部承受偏載的工況下也是安全的。