基于ANSYS巷道架棚机支撑臂结构分析

赵文友

（淮南矿业集团顾桥矿， 安徽 淮南232151）

随着现代煤矿生产逐步实现机械化的同时，对安全和效率的要求不断提高。在过去的煤矿井下生产过程中，顶板会发生下沉、离层现象，采用锚索网支护是无法施工的，人工锚索网支护施工工艺复杂、环节多、效率低、支护速度慢，而且工人劳动强度大、安全性能差，威胁工人的安全，严重制约矿井安全生产。为了适应高产高效矿井的发展，设计出了巷道架棚机，因其具有连续掘进、工序少、效率高、速度快等特点，越来越多地用于巷道架棚安装施工。架棚梁上放置一定量支护顶梁，由支撑臂托举架棚梁上下升降到达相应安装位置，人员在工作平台上完成架棚的安装，在这个过程中支撑臂承受架棚梁、防护盾及支护顶梁的重量，若支撑臂结构设计不合理，则在支撑臂的薄弱部位会发生应力集中，威胁施工人员的安全。因此对支撑臂进行结构分析，确保支撑臂强度满足要求，有助于提高施工的安全性和巷道开拓效率，对提高煤炭产量起到一定的推动作用［1－2］。

1 支撑臂模型建立

支撑臂主要是厚钢板焊接成的框架结构，采用厚钢板主要目的是为了增加支撑臂的黏着质量。对巷道架棚机支撑臂进行建模，其具体参数参见表1。

结合某煤矿巷道架棚机实体、相关技术要求和国标，建立支撑臂整体三维模型，如图1所示。

2 支撑臂静态结构分析

2.1 有限元模型建立

将支撑臂三维模型模型另存为.step格式并导入ANSYS－Workbench中，使用Solid186单元类型进行网格划分获得如图2所示的有限元模型，此处经过分析比较，发现单元格尺寸为100mm时即可保证分析精度，节点数为28 698个，单元数为15 318个。Solid186具有任意的空间各向异性，单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力钢化、变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料［3］。

表1 巷道架棚机支撑臂具体参数

图1 支撑臂三维结构图

图2 支撑臂有限元模型图

2.2 材料选择

材料是支撑臂承载强度大小的决定性因素，材料的性能直接关系到支撑臂是否满足强度和安全要求。支撑臂所使用材料为Q550号钢，其杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服强度为550MPa。Q550是一种高强度低合金钢，具有较高的屈服强度，良好的焊接性能和冷加工性能，特别是在弯曲和板厚方向上的塑性性能良好，断裂韧性高具有较低的韧脆转变温度，广泛应用于建筑、船舶、高压容器、管材、线材、车辆、工程机械等行业［4－5］。

2.3 载荷和边界条件加载

结合巷道架棚机支撑臂的实际工作情况，支撑臂在工作过程中主要是承载架棚梁、防护盾及支护顶梁的重量，因此，支撑臂所受到的力主要来源于架棚梁、防护盾及支护顶梁的叠加自重。考虑到支撑臂本身也含有一定的自重，通过等效分析最终得出在支撑臂前端的铰接孔内施加101kN的作用力，其载荷加载如图3所示。

图3 载荷加载图

对巷道架棚机支撑臂进行静态结构分析，还需要根据支撑臂运行情况，对其进行必要的位移约束，在支撑臂后端的三个铰接孔内分别施加三个方向上的位移约束，即UX＝0，UY＝0，UZ＝0，如图4所示。

图4 位移约束加载图

2.4 结果分析

对巷道架棚机支撑臂静态结构分析得到结果如图5和图6所示。支撑臂的功能是支撑架棚梁和执行架棚梁升降动作，支撑臂相当于一根悬臂梁，连接架棚梁的一端受力，位移最大，固定端所受的弯矩最大容易发生应力集中。对支撑臂的强度研究，重点关注其所受的最大应力强度和最大应力产生的部位，以确定其最大应力强度是否超出材料的屈服强度。

图5 应力强度图

图6 总位移图

由图5可得，支撑臂在工作时产生的最大应力强度为340.9MPa，最大应力位置位于支撑臂下板的圆角过渡处；由图6可得，支撑臂最大位移为29.826mm，最大位移位置位于支撑臂受力处，上述基本符合真实情况。

支撑臂的最大应力为σvonMise＝340.9 MPa，根据强度理论，

式中：S为安全系数；

σvonMise为最大米塞斯等效应力（也即最大应力）；［σ］为材料的许用应力；σ0.2为材料的屈服强度，σ0.2＝550MPa。

依据相关文献查询，支撑臂的安全系数S一般为1.5，则：

以上分析说明，支撑臂满足实际工程需要，也验证了支撑臂的设计尺寸和材料选择是安全和合理的［6］。

支撑臂作为架棚梁及防护盾的承载体，关系到施工人员的安全，因此对支撑臂的强度和安全性能要求很高，所以在完成支撑臂结构设计后，利用ANSYS软件对支撑臂进行应力分析。通过对支撑臂进行静态强度分析最终得到，支撑臂的最大应力为340.9 MPa，未达到材料的屈服强度值550MPa，且具备符合要求的安全系数，满足强度要求，进一步验证了支撑臂结构设计是合理和准确的。下一步还需对支撑臂上应力较大部位进行分析，提出合理改进方法，以减小应力，增大支撑臂的安全系数。为支撑臂结构优化提供参考，也有助于后期对巷道架棚机整体结构进行优化。

［1］乔峰邦.U形钢抬棚支护在巷道交岔点钟的应用［J］.煤炭科技，2008，31（2）：53－54.

［2］郭国平，李海峰.锚索抬棚在巷道支护中的作用［J］.科技情报开发与经济，2012，22（8）：145－146.

［3］曾攀.有限元分析及应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［4］伍玉娇.金属材料学［M］.北京：北京大学出版社，2011.

［5］张晓燕.材料科学基础［M］.北京：北京大学出版社，2009.

［6］陈清华，潘地林.带式输送机传动滚筒的有限元分析及其优化设计［J］.煤矿机械，2004，（1）：12－15.