四角罐道彎矩及變形理論分析與應用

楊福珍

（中煤西安設計工程有限責任公司礦井所，陜西 西安 710000）

副立井容器是礦井提升的關鍵設備，而四角罐道已成為設計井口井底金屬支持結構中重要的組成部分[1]。目前，隨著巴拉素礦井容器載重和提升速度不斷增大，副井提升輔助運輸材料及人員運輸任務繁重[2]。為保證礦井大型提升設備的穩定運行，在副立井容器進入井口或馬頭門水平時，四角罐道應能承受容器產生的沖擊并預留足夠的安全系數，因此，對四角罐道的受力計算與橫截面選型成為設計井口井底金屬支持結構的迫切需求。目前在相關設計規范中對四角罐道受力的明確計算公式作為設計參考。

1 巴拉素副立井四角罐道彎矩計算

1.1 主要設備

（1）非標雙層寬罐籠。為了滿足液壓支架整體下井、無軌膠輪人車及8 t、10 t 無軌膠輪車直接進罐的要求，副立井采用專門設計的非標雙層寬罐籠，其罐道間距8.53 m，凈寬3.10 m，凈長8.4 m，本體高度12.8 m。

（2）交通罐及平衡錘。交通罐罐道間距1.9 m，凈寬1.02 m，凈長1.78 m，本體高度3.1 m。交通罐平衡錘罐道間距0.9 m，凈寬1.0 m，凈長1.14 m，本體高度3.1 m，用于零星下人或重量不超200 kg小件的上下井。

1.2 四角罐道彎矩計算

巴拉素副立井提升罐籠的上盤與中盤間距為5314 mm，中盤與下盤間距為7011 mm。依據現有副井井筒圖紙做彎矩計算分析。寬罐四角罐道（一）與寬罐四角罐道（三）結構形式相同，寬罐四角罐道（二）與寬罐四角罐道（四）結構形式相同，取寬罐四角罐道（一）和寬罐四角罐道（四）分別做包絡圖計算分析后，找出四角罐道發生最大彎矩時的截面位置和荷載位置，截面和載荷位置見表1。

表1 截面和荷載位置

彎矩單位為N·mm，集中力取單位力1 N，截面位置和荷載位置標注為桿件最左端的節點到截面的距離，單位為mm。

2 水平力測試方案設計

在基于上述彎矩分析的基礎上，在后期試驗過程中，原則上應將應變片布設在四角罐道最大變形截面位置處，也即四角罐道所受到的最大彎矩的截面位置處。現根據彎矩包絡圖和罐道截面尺寸、罐道材料、罐道結構特性，計算四角罐道最大變形。

2.1 水平力測試方案甄選

2.1.1 方案一：水平力傳感裝置

方案一為在罐籠上安設水平力傳感裝置。將罐籠與四角罐道直接碰觸的下盤拆卸，裝上改造后的容器下盤。通過在罐籠與四角罐道接觸的下盤位置處增設力傳感器來測試出四角罐道對罐籠的水平力，共選取16 組力傳感器布設在容器上[3]。

方案一的測試方式能直接測得水平力數值，但操作難度較大，需要對立井提升容器做小范圍改裝處理，同時會對罐籠帶來結構破壞和安全隱患。故該方案不適合作為四角罐道水平力現場測試手段。

2.1.2 方案二：三花應變片

方案二即本文計算論證擬采用的測試方案。該方案擬定將三花應變片[4-5]直接布設在四角罐道發生最大彎矩的截面位置處，同時采用DH3816N 靜態應變測試系統收集應變片反饋的壓力信號。

該方案對立井提升容器和四角罐道的結構破壞程度降低到最小，同時由于四角罐道的結構特殊性，應變片能精準測出罐道在角鋼焊帶處和接觸對角鋼處的應力應變特性。

從安全角度出發，保證實驗結果更準確的前提下，相較于方案一，方案二更適合作為立井四角罐道的水平力測試手段，因此選擇方案二作為四角罐道水平力現場測試方案。

2.2 截面尺寸及鋼材模量選型

以下計算過程依據副立井井筒提升設備實際運行工況，對中盤和下盤同時經過罐道[6]時計算罐道所受的最大應變，并校核應變值是否滿足120-3CA型三向免焊接應變花測試精度。

四角罐道采取角鋼對焊的形式，采用Q345A鋼材材質，其彈性模量E取Q345A 鋼材彈性模量值216×109Pa，截面慣性矩為Ix=19 093 333.328 2 mm4和Iy=48 878 933.25 mm4。

用結構力學求解器計算該工況下的豎向位移量，此時取P=20 000 N 并分別作用在四角罐道x方向和y方向，校核在x、y方向的截面應變是否達到應變片測試精度要求。

2.3 截面應變值計算

取寬罐罐道一第二段分析最大彎矩截面處變形值。寬罐四角罐道一第2 段鋼構計算簡圖見圖1，罐道一第二段發生最大彎矩時，對應的集中力作用位置在（2）跨區域距離2 節點2 552.84 mm 和（4）跨區域距離4 節點6 780.16 mm 的位置處。

圖1 寬罐四角罐道一第2 段鋼構計算簡圖（mm）

此時當兩個集中力P=20 000 N 作用在圖1 所示節點時，發生罐道最大彎矩處的彎矩數值為M=24 431.66 N·m，核算2 節點處的正應力σ以及2 節點處截面在x、y方向的應變ε。

最大彎矩截面處x方向的最大正應力以及應變：

現采用的120-3CA 型三向免焊接應變花可用于測試構件截面應變值大于1/106 材料原尺寸的應變值，x和y方向的應變精度均滿足應變片測試精度要求。

2.4 測試儀器

應變片采用三向應變花，型號為120-3CA 免焊接應變花，具有三個不同軸向敏感柵的電阻應變計，可確定平面應力場中主應變的大小和方向。該應變花適用于鋼結構應力應變測試。主應變的大小和方向可以用三軸應變花的各敏感柵測得的應變，按公式算出，也可以從應變莫爾圓求出。主應力的大小，可以用各敏感柵測得的應變，及被測構件材料的彈性模量和泊松比按公式算出。

本次監測采用DH3816N 靜態應變測試系統，外形尺寸：360 mm×320 mm×125 mm（長×寬×高）便攜機箱。該系統是全智能化的巡回數據采集系統，每個模塊60 測點，適用于測點相對較集中的模型及其他試驗，實現對應變應力、壓力、扭矩、位移、溫度等物理量的測量[5-6]。

3 應用效果分析

當現場實測采集到數據并建立模型分析后，可得到在足夠安全系數前提下最優的四角罐道截面，并可提供更加精確的金屬支撐結構套架動態受力變化，可以在一定程度上優化副井金屬支撐結構的用鋼量。所采用的四角罐道總用鋼量同比以往設計減少15%，維護及更換頻次降低10%，節省投資約150 萬元，既對現有設計提供了有力的基礎數據支撐，同時可降低井塔投資，達到了良好的應用效果。

4 結論

本文針對巴拉素煤礦副立井提升系統四角罐道受力進行分析。以寬罐四角罐道為例，對四角罐道結構形式的水平力分析展開深入研究，得到如下結論：

（1）通過繪制罐道彎矩包絡圖分析罐道受力特性，得到寬罐罐道的最大彎矩及相應的截面位置和荷載位置。具體為：寬罐道（一）第二段發生最大彎矩，對應的截面位置距左端的節點2 552.84 mm，對應的荷載位置距左端的節點9 985.84 mm；寬罐道（四）第二段發生最大彎矩，對應的截面位置距左端的節點4 103.16 mm，對應的荷載位置距左端的節點5 895.16 mm。

（2）針對中盤和下盤同時經過罐道時的工況，計算得到了罐道在荷載20 kN 條件下所受到的最大應變。具體為：x 方向應變為326 倍應變片精度；y方向為204 倍應變片精度。均大幅滿足120-3CA 型三向免焊接應變花測試精度，該運行荷載可在后期試驗中被準確監測。

（3）通過對模型計算找到最大載荷截面位置，后續將采用三花應變片對四角罐道各項數值進行測試，通過大量多組對比實驗監測和實驗數據整理，建立模型并進行分析，得到適合該礦井的合理四角罐道截面特征，為金屬支撐結構套架布置設計及四角罐道設計提供重要的數據支撐，在今后類似終端載荷礦井金屬支撐結構設計中具有指導意義。