大直徑礦用錨索靜載性能試驗工裝的研究

許日成

煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013

我國自 20 世紀 60 年代引進錨索支護技術以來，在邊坡控制、巖石隧道加固、壩基加固、深基坑等方面得到了廣泛應用[1-3]。近幾年，隨著煤礦開采深度的不斷加深，圍巖的應力狀態更加復雜，煤礦井下礦用錨索支護技術也得到很大發展，對支護材料提出了更高的要求，其中礦用錨索用鋼絞線由單一結構 1×7 發展為 1×7、1×19S 和 1×19W，并呈現出大直徑、高強度和大伸長率發展趨勢。其中，公稱直徑達到 35 mm，抗拉強度到達 1 860 MPa，最大力總伸長率超過 7.0%，提高了礦用錨索承載能力和抗變形能力，能夠更好地滿足煤礦巷道支護的需求，為巷道的安全保駕護航[4-6]。礦用錨索屬于安全標志管理范疇內的產品，但大直徑、高強度、大伸長率礦用錨索的出現，對檢測設備尤其是大直徑礦用錨索檢測工裝提出了更高的要求，給檢測檢驗帶來了一定的困難[7]。因此，筆者在實驗室 LA-2000 微機電液伺服萬能試驗機的基礎上，設計出一套滿足大直徑礦用錨索靜載試驗用工裝，從而實現大直徑礦用錨索靜載性能的測試。

1 錨索靜載性能測試原理

礦用錨索執行標準 MT/T 942—2005 通過靜載性能來考核鋼絞線 (錨具組裝件) 的承載能力，考核產品的支護能力，保證產品的支護效果。錨索的靜載性能由鋼絞線的錨具效率系數ηa和受力長度的總應變εapu來確定[8]。其中，錨具效率系數

式中：Fapu為鋼絞線的實測極限拉力，kN；Fm為鋼絞線實測的最大平均值，kN。

標準中給出了靜載試驗組裝形式，即鋼絞線兩端均安裝上配套錨具，這種安裝方式基于臥式拉伸試驗機，有自身的局限性，對測試結果有一定的影響，而且操作費時費力。隨著 2 000 kN 大型立式試驗機的出現，安裝方式也隨之發生變化，如圖 1 所示。即采用一端直接夾持鋼絞線，一端夾持工裝，鋼絞線另一端安裝有錨具，錨具坐在工裝上。

圖1 靜載性能試驗安裝示意Fig.1 Installation sketch of static load performance test

2 試驗工裝設計

筆者設計的靜載性能試驗工裝是以 LA-2000 微機電液伺服萬能試驗機為基礎，該試驗機最大試驗力達 2 000 kN、最大拉伸空間達 2 500 mm，測試能力能夠滿足大直徑、高強度、大伸長率的礦用錨索靜載性能測試要求。為了科學、高效地實現大直徑 29、35 mm 礦用錨索靜載性能的測試，綜合考慮 LA-2000微機電液伺服萬能試驗機的結構特點，兩端通過液壓夾持實現拉伸。測試時，一端通過直接夾持鋼絞線，另一端配上錨具。如直接夾持錨具，既不滿足標準要求，測試結果也不具有說服力，還會在測試過程中帶來錨具炸裂等安全隱患。現有工裝均為小直徑礦用錨索靜載性能試驗工裝，無論從結構上還是強度上均無法滿足大直徑礦用錨索靜載性能試驗的要求。因此，為了解決這個問題，需要設計出一種試驗工裝，放置在試驗機上端部位，作為錨具的支撐座。

試驗機上端是個倒梯形結構，需在現有小直徑礦用錨索用試驗工裝的結構上進行升級改造。一是結構要合理，保證大直徑鋼絞線安裝的便捷性；二是強度要足夠保證測試要求，避免由于測試過程中力過大，導致工裝變形，從而影響測試結果的準確性。基于上述原則，設計的大直徑礦用錨索用試驗工裝由基座和套環 2 部分組成，如圖 2 所示。工裝材質選用 45鋼，通過滲透微量稀有金屬、淬火等熱處理方法，屈服強度能夠達到 1 080 MPa 以上。

圖2 試驗工裝Fig.2 Test tooling

在基座和套環的結構、外形尺寸不變的前提下，通過改變套環缺口的尺寸L，加工成不同尺寸的套環，與基座配套，實現不同直徑礦用錨索靜載性能的測試。為了保證測試結果的準確性，降低測試過程中錨具與套環之間的剪切對測試結果的影響，不同直徑礦用錨索用試驗工裝的套環缺口尺寸應與鋼絞線直徑相匹配，即套環缺口尺寸應盡可能與鋼絞線直徑接近，且試驗工裝與鋼絞線不應出現接觸的情況。因此，公稱直徑 29 mm 礦用錨索用試驗工裝的套環缺口尺寸L設計為 32 mm，公稱直徑 35 mm 礦用錨索用試驗工裝的套環缺口尺寸L設計為 38 mm。

3 試驗工裝的有限元分析

試驗工裝的結構設計完成以后，為了縮短研發周期，保證強度能夠滿足測試要求，運用 ANSYS Workbench 對其進行有限元分析[9-12]。

3.1 有限元模型的建立

根據圖 2 所設計的工裝結構，運用 Pro/E 建立試驗工裝、錨具和鋼絞線的三維模型，并按照實際測試進行組裝。設置材料密度、彈性模量和泊松比分別為7 890 kg/m3、209 GPa 和 0.27。由于錨具、鋼絞線主要用于輔助分析，不作為考核目標，故對其進行簡化處理，與試驗工裝的各項參數保持一致。采用自動網格劃分形式對三維模型進行網格劃分，節點為 11 275個，單元為 5 256 個，生成有限元模型，如圖 3 所示。經網格檢查，所劃分的網格較為均勻，滿足試驗工裝靜力學分析的要求[9]。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

3.2 約束與載荷的施加

靜載性能測試過程中，試驗工裝與錨具、鋼絞線的位置是固定的。因此，在試驗工裝基座底部施加固定約束，在鋼絞線一端施加載荷。目前，最大規格的礦用錨索公稱直徑為 35 mm、抗拉強度為 1 770 MPa，按此計算，所需施加的載荷為 1 425 kN?？紤]到試驗工裝的前瞻性及磨損，對其進行有限元分析時，施加載荷為 1 600 kN，如圖 4 所示。

圖4 約束與載荷Fig.4 Constraints and loads

3.3 結果分析

運用 ANSYS Workbench 進行有限元分析，從而得到套環凸臺高度h＝5 mm 試驗工裝的應力云圖和應變云圖，如圖 5 所示。由圖 5 可知，試驗工裝最大應力為 1 264 MPa，位于套環凸臺與基座接觸處；最大應變為 0.006 4，基本無變形。

圖5 h＝5 mm 試驗工裝的應力和應變云圖Fig.5 Stress and strain contours of test tooling (h=5 mm)

為了解決套環凸臺與基座接觸處應力集中的問題，采用增加凸臺高度h，由原來的 5 mm 增加到 10 mm，并對受力薄弱面進行網格細化處理，生成節點 26 122 個，單元 13 946 個。有限元分析結果如圖6 所示。由圖 6 可知，試驗工裝最大應力為 1 026.9 MPa，小于材料的屈服強度 1 080 MPa；最大應變為0.005 4，位于與錨具接觸的套環凹槽處。因此，凸臺高度h＝10 mm 試驗工裝的強度能夠滿足測試要求，且變形更小。

圖6 h＝10 mm 試驗工裝的應力和應變云圖Fig.6 Stress and strain contours of test tooling (h=10 mm)

4 錨索靜載性能的測試

選取公稱直徑為 29 和 35 mm 礦用錨索作為測試對象，截取鋼絞線長度 1 600 mm。首先運用萬能材料試驗機測出 4 種型號礦用錨索用鋼絞線實測最大力平均值Fm分別為 914.6、987.5、1 005.4 和 1 410.2 kN，然后按照圖 1 所示，安裝好鋼絞線、錨具，進行靜載拉伸試驗，測試出鋼絞線的實測極限拉力。鋼絞線的極限拉力曲線如圖 7 所示。根據式 (1) 計算出錨具效率系數，測試結果如表 1 所列。

圖7 鋼絞線的極限拉力曲線Fig.7 Curve of ultimate tensile force of steel strand

表1 鋼絞線測試結果Tab.1 Test results of steel strand

由圖 7 和表 1 數據可知，大直徑礦用錨索靜載性能測試符合標準，且試驗后工裝完好，無變形，套環缺口尺寸未變。由此說明該工裝無論是結構還是強度均能夠很好地滿足大直徑礦用錨索靜載性能測試。

5 結語

為解決大直徑礦用錨索靜載性能測試的安裝問題，從結構方面設計出一種與現有 LA-2000 微機電液伺服萬能試驗機相匹配的試驗工裝。通過對公稱直徑為 29、35 mm 礦用錨索進行了驗證性測試，整個試驗過程符合標準 MT/T 942—2005 的測試要求。測試結果表明，該工裝安裝、拆卸操作簡單便捷，未出現可見的變形。