基于ANSYS巷道架棚机主梁结构安全性分析

王开军

（国投新集能源股份有限公司口孜东矿，安徽 淮南232001）

0 引言

随着综采工作面生产能力和推进速度的提高，很多矿井都存在采掘接替紧张现象，采掘巷道的机械化快速掘进和支护成为矿井高产高效、安全生产的关键技术之一。机械化掘进具有连续掘进、工序少、效率高、速度快、施工安全、劳动条件好等优点而得到普遍使用，但配套的支护构建架设作业仍采用传统人工作业方式，速度慢、安全系数低，制约了掘进速度的提高[1]。为此设计了新型巷道架棚机，实现了煤矿巷道棚梁支护的机械化作业，降低作业循环时间，加快掘进速度，从而缓和目前巷道掘进普遍存在的采掘失调矛盾现象[2]。主梁是架棚机最关键的部件之一，是工作平台支撑装置、架棚梁支撑装置及油箱的主要承载装置，其结构设计的合理性直接关系到架棚机能否安全稳定的工作。因此，本文利用ANSYS软件对某新型巷道架棚机主梁进行了有限元分析，检验主梁结构设计能否满足强度和刚度，为架棚机主梁的优化设计提供一定的依据。

1 新型巷道架棚机简介

新型巷道架棚机集机械化作业、支护、运输为一体，它利用巷道的顶部空间，吊挂在巷道顶部的单轨构件上，可以与综掘装备联合作业。该设备的主要特点为：

1）由于该设备吊挂在巷道U型钢单轨上，故其运行与巷道底板条件无关，不受巷道底板工况的影响；

2）该设备环境适应性较强，可满足煤矿井下转弯半径在6m以上的水平巷道或者坡度小于15°的倾斜巷道的掘进支护作业；

3）该设备在确保了井下支护安全作业的同时，提升了掘进、支护架设作业的机械化水平，提高了掘进的效率，减轻操作人员的劳动强度；

4）该设备可以对新暴露顶板和侧帮等进行临时支护，但没有配置迎头防护盾装置，不能有效的对掘进工作面迎头处的岩石进行安全、自动的防护。

2 主梁的结构设计和材料选择

主梁是整个新型巷道架棚机设备最关键的部件之一，是工作平台支撑装置、架棚梁支撑装置及油箱的主要承载装置，也是连接行走部分和工作部分的关键性部件，其结构如图1所示。确保强度满足要求的前提下，考虑到成本和结构轻量化，主梁采用了对称结构设计和可拆卸结构设计方法。该主梁结构具有以下优点：

1）采用了对称结构设计，提高了新型巷道架棚机整体安全性和稳定性。

2）整采用了可拆卸性设计，方便主梁运输和零部件维修更换。

3）采用轻量化设计的原则，结构上大部分焊接件均为板件，充分利用材料的强度、刚度且减轻了重量。

考虑到主梁结构强度的重要性，主梁的材料采用高强度结构钢Q550，其具有较高的屈服强度，良好的焊接性能和冷加工性能，广泛应用于建筑、船舶、高压容器、管材、线材、车辆、工程机械等[3-4]。Q550弹性模量2.09×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m3，屈服强度为550MPa。

3 主梁有限元分析

3.1 有限元模型的建立

为了使主梁模型后期在ANSYS-Workbench中能够快速划分出高质量的网格，必须对主梁一些不必要的结构特征进行简化，例如尺寸较小的倒角、圆角和螺纹孔等。利用SoildWorks建立主梁简化三维模型，另存为通用格式，并将其导入到ANSYS-Workbench模块中，然后加载Q550材料属性，最后选取Solid186单元对其进行网格划分[5]，得到如图2所示的主梁有限元模型。

图1 主梁结构图

图2 主梁有限元模型图

3.2 约束和载荷加载

主梁在煤矿巷道架棚支护作业中，主梁前后两端铰接孔固定不动，故在静力学强度分析中，应将铰接孔施加X、Y、Z三个方向上的位移约束。在架棚机正常架棚支护作业中，主梁受到迎头防护盾、架棚梁支撑装置重力和工作平台上的载荷引起的扭矩，其受力简图如图3所示。主梁受到迎头防护盾、架棚梁支撑装置重力为60kN，其作用点距主梁左端固定点为5.8m。其次，主梁受到工作平台的载荷为90kN，其作用点距主梁左端固定点为2.2m。为了方便在主梁上加载载荷，需要对其所受载荷进行适当等效及简化。根据力矩平衡原理，主梁受到的力等效为大小分别为450kN、150kN的两个力，其作用点离主梁左端固定点距分别为0.6m、2.2m。

故在分析过程中，只需加载450kN和150kN的力即可。此外，由于主梁结构尺寸和重量较大，还需要考虑主梁自身重力的影响。完成上述过程，可以得到如图4所示的主梁约束和载荷加载图。

图3 主梁受力简图

图4 主梁约束和载荷加载图

3.4 结果分析

提取出应力以及位移分析云图如图5和6所示。

图5 应力云图

图6 位移云图

由应力云图可知，主梁最大应力强度发生在主梁后端的铰接孔处，其应力值为487.99MPa，小于材料Q550的屈服强度550MPa，满足强度要求。由位移云图可知，主梁最大位移发生在主梁两段的侧翼上，其位移值为2.9311mm，符合设计要求，并且主梁整体变形比较均匀，无变形突变点[6]。但本设计主梁结构强度安全系数为1.12，下一步还需要对主梁结构进行改进优化，可采取对主梁结构强度薄弱点处的部件增加厚度、焊接加强筋等措施。

4 结束语

主梁作为架棚机主要受力承载件，关系到整机设备的安全与可靠性，因此对主梁的强度和安全性能要求很高，所以在完成主梁结构设计后，需要利用ANSYS软件对支撑臂进行应力和应变分析。通过对主梁进行静态强度分析得到，主梁的最大应力为487.99MPa，未达到材料的屈服强度值550MPa；主梁最大位移发生在主梁两段的侧翼上，其位移值为2.9311mm，且主梁整体变形比较均匀、无变形突变点，符合设计要求。下一步应对主梁结构强度薄弱点进行分析，提出了主梁结构合理改进措施，以减小应力，增大主梁的安全系数。为主梁臂结构改进优化设计提供参考，也有助于后期对巷道架棚机整体结构进行优化。

［1］程居山.矿山机械[M].徐州:中国矿业大学出版社,1997.

［2］徐锁庚.综掘工作面机载式临时护顶机的设计研究[J].煤矿机械,2008(5):1-3.

［3］伍玉娇.金属材料学[M].北京:北京大学出版社,2011.

［4］张晓燕.材料科学基础[M].北京:北京大学出版社,2009.

［5］曾攀.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

［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.