托顶煤快速掘进临时支架的有限元分析

程富明，韩忠利，刘建胜，曹秀龙，韩晓明，鲁忠良

（1.霍州煤电集团 河津腾晖煤业有限责任公司，山西 河津 043300；2.霍州煤电集团 晋南公司机电处，山西 河津 043300；3.河南理工大学，河南 焦作 454000）

煤矿生产中放顶煤生产工艺的采煤工作面上下2个煤巷主要是沿煤层底板掘进，而综掘工作面迎头巷道采用的临时支护是1种极为有效的提高掘进效率和现场安全性的掘进工艺。由于掘进机截割工作的特点决定了掘进工作面必然有一定的空顶距存在，且空顶区域顶板应力状态较为复杂。如采用临时支护进行及时有效的支护，可以避免传统工艺中每截割出1个许用空顶距长顶板就必须使用锚杆钻机进行岩体加固作业的问题，减小综掘机械工作时的扰动、锚杆支护时的应力变化和顶板自身压力变化对巷道围岩变形、位移和破裂的影响[1-4]。

在锚网支护中使用传统前探梁临时支护进行绞顶作业时，通常采用特制的梁爪、钢管、大板和木楔对空顶区进行临时支护，作业人员完全处于空顶下作业，空顶时间太长，不能及时对空顶区进行临时支护，而且传统前探临时支护在顶板来压时没有初撑力，不能及时有效地控制顶板，绞接顶后，对顶板的初撑力又无法满足。为此，在煤矿综掘工作面使用的掘进设备基础上，研制开发与其配套的托顶煤快速掘进临时支架支护技术及设备[5-9]，即：托顶煤快速掘进临时支架，实现对掘进机截割新裸露顶板的及时支护，即无空的顶板，又扩大了顶板的支护面积；即临时保护作业空间内人员及设备的安全，又使很多工艺又可平行作业，缩短支护的作业时间，提高掘进支护作业效率，加快掘进工作面的掘进速度。为了保证施工的掘进工作面的工人安全，利用Solidworks软件对制造的托顶煤快速掘进临时支架进行了校核及分析，证明新研制的托顶煤快速掘进临时支架是安全和可靠性的。

1 托顶煤快速掘进临时支架简介

1种综合机械化掘进内伸缩顶梁（201920882002.6）[10]在2020年3月27日获得国家知识产权局授权，托顶煤快速掘进临时支架是基于本专利的基础上设计而成。

托顶煤快速掘进临时支架是由内架总成、外架总成、内、外支腿油缸、行走油缸、纠偏油缸，辅架、液压管路和液压系统等组成，总体结构图如图1。

图1 总体结构图Fig.1 A frame of the overall structure

外架总成是由外架框架、滑轮总成，支腿油缸等组成，外架总成如图2。外架框架是由材质为Q235-A、16#工字钢焊接而成，支腿柱子是由10#方管焊接而成。外架总成是由油缸来执行动作，外架可升高或降低，外架在工作前，先把锚网铺在外架上面，由外架将锚网送到顶板位置，进行支护工作。

图2 外架总成Fig.2 The overall diagram of external support

3）网格划分。网格划分的数量要适中，如果划分的网格密度太大，就会对计算机的性能要求高，计算机进行划分的时间就会太长，如果划分的网格密度太小，那么计算后的精度会降低，划分网格后的结构如图7。

图3 内架总成Fig.3 The overall diagram of inner support

2 托顶煤快速掘进临时支架的建模及有限元分析

在框架顶部上端面的前部承受负载的工况下，模型应力应变情况分别如图9。

2.1 模型建立

Solidworks是Windows环境下的一款用于三维设计的软件，因其具有简单方便的操作界面和可以轻易掌握的操作方式而被广泛应用于零件的建模设计。功能强大、易学易用和技术创新是Solidworks的3大特点，Solidworks也因此成为人们在进行三维CAD设计时的首要选择软件。

Solidworks运用参数化和特征造型技术，可以快捷的建立各种复杂的实体结构、迅速的将零件装配形成装配体并可以简单方便的得到装配工程图。同时Solidworks也可以对装配完成后的装配体进行干涉检测、碰撞检测、生成爆炸图、生成运动动画等：运用Solidworks中的插件还可以进行管道设计、工程分析、高级渲染、数控加工等[17-19]。

在机械设计及其制造过程的中，机械工程的设计、制造和装配的基础就是三维实体模型的建立，首先来建立1个符合要求的，运动灵活的三维实体模型是虚拟装配和干涉检查以及后续有限元分析的基础。

利用Solidworks三维实体建模软件对快速掘进临时支护设备的主要结构和零部件选型进行三维的实体结构建模。使用Solidwork建立三维模型的基本原则是先草绘出二维的图形，再利用尺寸几何约束和配合几何约束，并且通过旋转，扫描，拉伸，剪切，倒圆角等方式生成三维模型图。几何约束是用来确保所画的图形在草绘平面上具有正确的位置，尺寸约束是用来确保在草绘平面上所画的图形正确。

4个麦克风的空间位置分别为Mic1(L/2,0,0)、Mic2(0,L/2,0)、Mic3(-L/2,0,0)、Mic4(0,-L/2,0)。其中p代表声源,其坐标为(x,y,z)。声源到各麦克风的距离分别为r1、r2、r3、r4,假设声信号以球面波方式进行传播,声信号到达阵列中各麦克风的时间分别为t1、t2、t3、t4。而Mic1、Mic2、Mic3、Mic4相对于Mic1的传播时延分别是τ21、τ31、τ41。其中r、θ(0°≤θ≤90°)、φ(0°≤φ≤360°)分别表示声源到原点的距离、俯仰角和方位角,C为声速。

然后再利用Solidworks的装配功能来进行虚拟的装配并且一定要保证它们之间的相对运动关系而且还不能产生干涉。在装配时，首先要分析出支架的各种零部件之间的装配关系，然后再根据给定的关系进行自由度约束，最终将零部件安装在正确的位置上。

由于装配过程非常的麻烦且复杂，所以特别在总体装配的过程中设置了子装配，可以对垂直立柱和水平液压缸进行子装配，把它们都装配完成后再进行总体装配，这样可以大大减少总体装配的时间，提高装配效率，从而获得更高的经济收益。

在装配时，可以充分地利用Solidworks的装配功能进行自由度约束，使得部分零部件能够实现预定的运动，对于比较复杂的装配体，其装配过程如图4。

图4 装配方法图Fig.4 Schematic of the assembly method

利用图4所示的装配方法对快速掘进临时支护设备的零部件和它的整体架构进行装配。快速掘进临时支护设备模型如图5。

图5 快速掘进临时支护设备模型Fig.5 The temporary support model for rapid tunneling

2.2 有限元分析

ANSYS/workbench是在原有经典的ANSYS的工程设计基础上新产生的CAE仿真设计环境。workbench的工程设计界面更为友好，使得设计者更为直观的理解和进行工程设计。它包含了众多的优化工程设计所需要的方法和模块，例如被广泛使用的有限元分析的工程设计模块等，可以很好的实现与CAD之间的各种无缝数据共享和信息传递，ANSYS/workbench整合了ANSYS的一些非常实用的工程设计功能，能够使前后处理操作和各项分析更加的简单便捷可靠。ANSYS/workbench的一些比较突出的特点如下。

(1)推进实践改革。随着科学技术的高速发展和全球经济一体化的迅猛推进，高校毕业生就业问题面临着诸多挑战，可喜的是挑战中又孕育着众多机遇。学校通过校企合作的模式，让学生到企业亲身体会和实践。

1）双向互动能力强。ANSYS/workbench软件可以与其他同类的行业软件紧密的进行衔接，可以很方便的进行软件模型的直接导入，而且在目前市场上已经出现的同行业软件模型导入软件直接导入模型失败的这种情况很少。

2）划分网格能力强。ANSYS/workbench具有自动划分网格的能力，它的划分网格的能力十分强大，而且能节省使用者很多时间。

3）强大的自动识别能力。以往的装配软件在进行人工操作和建立各部件接触关系的2个方面都会都非常麻烦，但是Ansy s/w orkbench在操作和装配方面具有强大的功能和易用性，它在装配时可以很方便地自动识别周围各个零部件的位置和接触关系，节省了大量的人工和时间，该软件本身自带了许多操作和编辑的工具，操作装配时就可以很方便地手动编辑各部件的接触面。

1.4 效果评价 分别在手术完成减压后、减压后2 h观察患肢局部皮肤损伤状况。止血带损伤判断标准:优，减压后皮肤轻微压痕红肿，无水疱，肢体血运立即恢复;良，皮肤明显压痕红肿，伴或不伴有少量小水疱，肢体血运立即恢复;差，减压后皮肤大量水疱，部分破溃，肢体淤血性肿胀。

1）模型导入。根据快速掘进临时支护设备的工作原理，将简化后的框架模型导入ANSYSWorkbench中，快速掘进临时支护设备简化模型如图6。

2.3 模型导入及设置

ANSYS/workbench的主要原理：将所要进行分析的节点和受力体关系看作是由具有无数个节点和无限小的受力体单元所连接构成的集合，该单元集合中各点之间的位移都存在着某种边界联系，物体主要靠这些点进行力的接受和传递。根据节点的位移和加入节点之间的位移边界关系条件来首先建立1个加入节点的平衡位移方程式，再根据加入节点的位移和边界关系条件对平衡位移方程组的形式进行求解。

从制作最初始的量角器到尝试度量角的大小碰到量角的不方便，基于量角的需求，到最后完整量角器的诞生，学生一直在探索，这样的学习充分激活了学生自主学习的主动性，在不断的创造过程中不但体会到一种新的度量工具产生的全过程，还在矛盾冲突中学会了灵活量角的方法。

图6 快速掘进临时支护设备简化模型Fig.6 The simplified model of temporary support for rapid tunneling

2）选择材料。框架采用的工字钢材质为Q235－A，其密度为7 860 kg/m3，屈服点为235 MPa，杨氏弹性模量为210 GPa，泊松比为0.288。

内架总成由内架框架，内架支腿油缸等组成，内架总成如图3。内架总成是由材质Q235－A、16＃槽钢焊接而成，支腿是由8＃方管焊接而成。内架总成由内架支腿油缸上下工作，其目的是为了把外架撑起来，让外架行走自如，内架又称辅助行走架。

图7 模型网格划分Fig.7 Meshing of the model

在超前支护设备顶梁承受均匀载荷的情况下，通过上述结果可知，根据顶梁变形分布云图可以知道产生最大变形的位置是顶梁的中前部，总变形量为4.274 8 mm，根据顶梁应力云图（图略）可以看到最大应力集中在顶梁的中前部槽钢联接处，最大应力为99.349 MPa，而所选择的材料屈服极限是235 MPa，因此顶梁在均布载荷工况下也是安全的[19]。

客套话有它的存在基础，但不能太多。我们生活在一个人际关系高度黏稠的世界，一切自由都被人际关系裹挟，必须把见人主动说话当成礼貌，却从不控制说话的质量。话语越来越多，却越来越廉价，它们从沟通的使者变为实用的工具。人们天真地以为，通过语言的表象就可以达到沟通的目的，久而久之却与生命的真实性渐行渐远，让原本的通途变成一座又一座的巴别塔。

3 仿真结果

3.1 均布载荷

此外，高校内部控制有两个特点：其一，参与主体广泛且主体素质较高。参与主体应该包括各级管理层以及全体教职工和学生。其二，控制制度种类多且缺乏参考标准。除国家和其他行政事业单位通行的内部控制法规、制度外，高校控制制度还包括特有的奖助学金等学生经费管理制度，教学、科研经费管理制度，学术活动管理制度以及其他经济活动管理制度等。这些制度缺乏统一的参考标准，由各个大学自行制定。

框架的上端面承受均布载荷下，模型总变形情况如图8。

图8 模型总变形分析云图Fig.8 The total deformation analysis diagram of the model

4）施加约束和载荷。设置框架支腿下端面为约束曲面，在框架的顶部端面施加150 kN的载荷。仿真求解后，得到在不同受载工况下模型的应力应变情况。

3.2 前部受载

托顶煤快速掘进临时支架在工作时可能承受较大的压力，这就要求其不仅要在基本功能上符合要求，同时在自身强度上也必须符合要求。为此，借助于Soldworks及ANSYS/workbench软件，对快速掘进临时支护设备进行建模和有限元分析，通过对快速掘进临时支护设备进行静应力分析，考察其在规定受力的情况下所产生的应力、变形、位移等情况是否满足井下设计及其工作性能要求[11-16]。

图9 模型总变形分析云图Fig.9 The total deformation analysis diagram of the model

在超前支护设备顶梁前部承受载荷的情况下，通过上述结果可知，根据顶梁变形分布云图可以知道产生最大变形的位置是顶梁的中前部，总变形量为9.479 1 mm，根据顶梁应力云图可以看到最大应力集中在顶梁的中前部槽钢联接处，最大应力为163.69 MPa，而所选择的材料屈服极限是235 MPa，因此顶梁前部在承受载荷工况下也是安全的。

3.3 前部承受偏载

在框架顶部上端面的前部一侧承受偏载的工况下，模型不同部位的应力应变情况分别如图10。

图10 模型总变形分析云图Fig.10 The total deformation analysis diagram of the model

在超前支护设备顶梁前部一侧承受偏载的情况下，通过上述结果可知，产生最大变形的位置是顶梁的中前部，总变形量为9.506 1 mm，根据顶梁应力云图可以看到最大应力集中在顶梁的中前部槽钢联接处，最大应力为182.07 MPa，而所选择的材料屈服极限是235 MPa，因此顶梁前部承受载荷工况下也是安全的。

《道德经》的作者老子寿百岁，他说，“死而不亡者寿”，身虽死而不被遗忘的人，才算真正的长寿。这颇像“有的人死了，他还活着”的现代诗句。

4 结语

1）利用Solidworks软件对制造的托顶煤快速掘进临时支架进行了校核及分析，证明新研制的托顶煤快速掘进临时支架是安全和可靠性的。

2）利用Solidworks软件对对制造的托顶煤快速掘进临时支架进行前部均布载荷变形校核可知产生最大变形及最大应力产生是顶梁的中前部的位置，根据总变形量和最大应力所选择的材料，顶梁前部承受载荷工况下是安全的。

财政内控四级联动、向基层挺进既是内蒙古的特点之一，也是内控整体布局的出发点。只有财政系统上下贯通、纵向到底，才能发挥内控的系统功效。为保持财政内控的整体推进态势，内蒙古财政厅在先行先试的同时，重视推动盟市、旗县财政内控建设。两年来，从转变作风入手，结合“两学一做”活动，通过调研、培训、召开座谈会等方式，多次深入盟市、旗县加强对基层财政内控工作的指导，足迹遍布各盟市，涉及众多重点旗县，基本实现了盟市与自治区在工作进度上的同步推进。

表1显示：对B组运动前和运动后所测积极幸福感、心理烦恼和疲劳三项指标的平均分数分别为 18.22 分和19.28 分、10.00 分和 8.22分、12.06分和11.78 分，经配对样本 T 检验分析所得，B组运动前和运动后积极幸福感得分高，且具有显著性差异(P<0.05)，说明慢跑对大学生的积极幸福感获得是有正向作用的。B组运动前和运动后心理烦恼感得分降低，且具有显著性差异(P<0.05)，说明慢跑对大学生的心理烦恼感是有正向作用的。但是在疲劳得分方面，对运动前和运动后无显著性差异(P>0.05)。

3）利用Solidworks软件对对制造的托顶煤快速掘进临时支架进行前部承受偏载校核，产生最大变形与最大应力集中在顶梁的中前部槽钢联接处的位置是顶梁的中前部，根据总变形量与最大应力与所选择的材料的屈服极限，顶梁前部承受偏载的工况下也是安全的。