錨桿鉆車鉆孔試驗臺架有限元分析

張禮才

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030032）

0 引言

煤礦巷道掘進作業中，支護作業時間超過總掘進時間的60%，目前我國煤礦巷道掘進作業中仍然面臨著掘進和支護設備自動化程度低，效率低，安全隱患大的問題[1]。 開發鉆孔試驗臺架，模擬井下工況，實施錨桿鉆車鉆孔試驗，是提升錨桿鉆車可靠性以及巷道支護效率的重要舉措。 為此本文以錨桿鉆車鉆孔試驗臺架為研究對象，模擬實際工況，實施了有限元分析和強度校核，為提升錨桿鉆車可靠性奠定了基礎。

1 錨桿鉆車鉆孔試驗臺組成和試驗流程

1.1 鉆孔試驗臺組成

巷道錨桿支護分為頂板支護和側幫支護， 相應的錨桿鉆車作業包括頂板錨護作業、側幫錨護作業[2]。 為此設計了頂板、 側幫一體化錨護試驗臺， 用以測試錨桿鉆車鉆孔性能， 試驗臺結構組成見圖1。

圖1 鉆孔試驗臺

由圖1 可知， 鉆孔試驗臺由頂部試塊、 試驗臺架、中部試塊、鋼絲繩、限位塊組成。 頂部試塊模擬巷道頂板材料制作， 其力學特性與巷道頂板一致。 中間試塊模擬巷道側幫材料制作，其力學特性與巷道側幫一致[3]。 為防止試塊破碎和固定試塊，設計了框架，框架由鋼板組成，沿試塊棱邊方向布置，構成框式結構，鋼板之間通過螺栓連接，用以固定試塊。

試驗臺架是由方鋼管拼焊組成的格構化梁式結構，兼具質量輕、承載能力強、美觀大方的優點。

試塊通過限位塊、鋼絲繩固定在試驗臺架墊板上，墊板焊接在試驗臺架橫梁上。 試驗臺架通過地腳螺栓固定在地面上。

1.2 鉆孔試驗流程

試驗臺模擬錨桿鉆車頂部錨護作業的試驗稱為頂錨試驗，模擬錨桿鉆車側幫錨護作業的試驗稱為側錨試驗。錨護作業與載荷有關的過程為鉆孔作業，為此，試驗臺架有限元分析僅研究鉆孔試驗。

頂錨試驗流程包括調整姿態、安裝鉆桿、鉆孔、鉆桿收回， 首先操縱鉆車行駛至試驗臺架工位， 調整鉆架姿態，對準底部試塊，保持鉆桿與頂部試塊垂直，鉆箱馬達啟動，鉆箱驅動鉆桿旋轉，鉆架進給油缸啟動，通過鏈條、導向連接板，驅動鉆箱向上運動，鉆桿升起，接觸頂部試塊，開始打鉆試驗，鉆孔完畢后，鉆箱停止旋轉，進給油缸收回，鉆箱下降，回到初始位置，鉆桿退出。 重復上述流程，鉆下一個孔。

側錨作業流程與頂錨作業類似，不同之處在于，鉆桿水平運動，實施橫向鉆孔作業。 錨桿鉆車頂錨作業、側錨作業受力不同，必須分別研究。

2 鉆孔試驗臺架受力分析

頂錨試驗工況，鉆孔試驗臺架受到自身重力、頂部試塊重力、中間試塊重力、鉆桿豎直進給力、鉆桿旋轉扭矩以及地面支撐力、摩擦力作用。 側錨試驗工況，鉆孔試驗臺架受到鉆桿水平進給力、鉆桿旋轉扭矩作用，其余載荷與頂錨試驗類似。 鉆孔試驗臺架受力分析見圖2。

圖2 鉆孔試驗臺架受力分析

圖 中 f1、f2表示試驗臺架受到的地面摩擦力， 前者方向垂直紙面向外， 后者方向水平向左；N1表示試驗臺架受到的地面支撐力， 方向豎直向上；T1、T2分別表示試驗臺架受到的頂部試塊壓力、 中間試塊壓力， 方向豎直向下；G1表示試驗臺架重力，方向豎直向下；P1、P2表示試驗臺架受到的鉆孔進給力，M1、M2表示試驗臺架受到的鉆孔旋轉扭矩，鉆桿進給力、旋轉扭矩作用在試塊上，通過鋼絲繩、限位塊、試塊安裝板傳遞到試驗臺架。

頂錨試驗工況， 試驗臺架在f1、N1、T1、T2、G1、P1、M1作用下，合力為零，合力矩為零，處于平衡態。

側錨試驗工況， 試驗臺架在f1、f2、N1、T1、T2、G1、P2、M2作用下，合力為零，合力矩為零，處于平衡態。

3 鉆孔試驗臺架有限元分析

3.1 有限元分析模型的建立

有限元分析模型建立分為直接建模和外部導入兩種方式，試驗臺架結構復雜，采用外部導入的方式建立分析模型。 首先利用三維畫圖軟件建立試驗臺架三維裝配體模型， 將試驗臺架三維模型導入有限元分析軟件ANSYS Workbench，設置試驗臺架材料屬性為結構鋼，彈性模量為2.06×1011，泊松比為0.3。

3.2 定義試驗臺架零件連接關系

設置鋼梁之間的接觸類型為固定模式， 模擬實際各個鋼梁之間的焊接裝配關系， 設置試塊安裝板與鋼梁之間的接觸類型為固定， 模擬試塊安裝板與鋼梁之間的焊接裝配關系。 設置地腳、 底部鋼梁與地面接觸類型為固定，模擬試驗臺架固定方式。

3.3 網格劃分

利用網格劃分平臺，劃分試驗臺架模型有限元分析網格，首先確定物理場和網格劃分方法，選擇結構場、自動劃分方法[4]，根據試驗臺架三維尺寸合理確定單元尺寸，劃分試驗臺架模型網格見圖3。

圖3 鉆孔試驗臺架網格劃分

3.4 施加載荷

由試驗臺架受力分析得知，頂部錨桿鉆孔試驗與側幫錨桿鉆孔試驗，兩種工況下臺架受力不同。 頂錨試驗工況下，試驗臺架受到自身重力，地面支撐力、摩擦力，頂部鉆孔豎直進給力、鉆孔旋轉力矩以及兩個試塊重力作用。 側錨試驗工況下，試驗臺架受到水平鉆孔進給力、鉆孔旋轉力矩作用，其余載荷與頂錨試驗類似。

通過設置鉆孔試驗臺架材料屬性、重力加速度，施加重力載荷。 試塊重力、鉆孔進給力、鉆孔旋轉力矩為試塊受到的載荷，通過遠程力的方式施加給試塊安裝板。 地面對鉆孔臺架的作用力通過臺架與地面的固定約束方式施加[5]。

錨桿鉆車鉆孔試驗臺架有限元模型施加載荷見圖4。

圖4 鉆孔試驗臺架模型加載

3.5 模型求解

ANSYS Workbench包含兩種求解器，分別為直接求解器、迭代求解器，直接求解器通過分解系數矩陣[K]得到逆矩陣[K]-1從而得到單元特性方程，適合求解包含薄面和細長體的模型， 迭代求解器利用前處理矩陣求解方程，是矩陣做乘法，而不是因式分解，適合處理大體積模型[6]。

本文采用程序自動選取的方式求解錨桿鉆車鉆孔試驗臺架有限元模型，得到頂錨試驗工況下，臺架應力分布見圖5。 側錨試驗工況下，臺架應力分布見圖6。

圖5 頂錨試驗臺架應力分布

圖6 側錨試驗臺架應力分布

由圖5 可知，頂部錨桿鉆孔試驗工況，臺架頂部橫梁與斜撐梁相交的角點處應力最大，最大應力值為126.74 MPa。

由圖6 得知，側向錨桿鉆孔試驗工況，中部橫梁與斜撐梁相交的角點處應力最大，最大應力值為101.45MPa。

與側向錨桿鉆孔試驗應力峰值相比， 頂部錨桿鉆孔試驗應力峰值較大，后者為前者的1.25 倍，頂部錨桿鉆孔試驗為危險試驗工況。 這是由于臺架頂部為懸臂梁結構，頂部鉆孔載荷在懸臂梁固定端角點處出現了應力集中。

試驗臺架材料為Q235，屈服極限為235 MPa，試驗臺架最大應力低于屈服極限，安全系數為1.85，滿足強度要求。

4 結束語

本文以為錨桿鉆車鉆孔試驗臺架為研究對象， 分析了臺架受力，建立了臺架有限元分析模型，獲得了頂部錨桿鉆孔試驗、側向錨桿鉆孔試驗不同工況下，試驗臺架應力分布，得出結論如下：

頂部錨桿鉆孔試驗工況， 臺架頂部橫梁與斜撐梁相交的角點處應力最大，最大應力值為126.74MPa；側向錨桿鉆孔試驗工況， 中部橫梁與斜撐梁相交的角點處應力最大，最大應力值為101.45MPa；試驗臺架可簡化為懸臂梁模型，與側錨試驗相比，頂錨試驗為危險工況，最大應力低于屈服極限，滿足強度要求。