基于Nastran掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)頂梁架受力分析

張志利

（大同煤礦集團(tuán) 朔州煤電公司，山西 懷仁 038300）

0 引言

近幾年來(lái)，隨著煤礦掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，巷道掘進(jìn)時(shí)會(huì)在掘進(jìn)機(jī)上安裝前探梁臨時(shí)支護(hù)，用以緩減巷道空頂區(qū)的支護(hù)壓力。頂梁架作為機(jī)載支護(hù)的重要零部件，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度能否滿足安全要求至關(guān)重要。在支護(hù)時(shí)，一旦頂梁架破斷，后果不堪設(shè)想。為此，本文基于Nastran軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)頂梁架進(jìn)行受力分析。

1 掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)工作原理

掘進(jìn)巷道時(shí)，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)一段巷道后，掘進(jìn)面就會(huì)產(chǎn)生一段空頂區(qū)域，為了進(jìn)行空頂區(qū)域的支護(hù)，需要在此位置打入錨桿。在沒(méi)有任何形式支護(hù)的空頂區(qū)域下作業(yè)危險(xiǎn)性較大，為此設(shè)計(jì)臨時(shí)支護(hù)，對(duì)空頂區(qū)進(jìn)行支護(hù)［1］。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)停機(jī)后，截割頭置地，通過(guò)油缸伸縮使頂梁架與頂板接觸，對(duì)空頂區(qū)域進(jìn)行支護(hù)，可減小掘進(jìn)面迎頭壓力，減少空頂區(qū)域的不安全因素。掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)的形式有多種，目前主要使用的有兩種［2］：①將機(jī)載支護(hù)安裝在掘進(jìn)懸臂上，該方式利于低巷道的掘進(jìn)，其支護(hù)裝置尺寸小，但作業(yè)時(shí)容易遮擋掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的視線；②將機(jī)載支護(hù)安裝在機(jī)身上，這樣支護(hù)伸縮量大，裝置體積較大，不利于中小巷道的使用。根據(jù)大同煤礦集團(tuán)朔州礦掘進(jìn)巷道斷面較小的情況，設(shè)計(jì)了安裝于掘進(jìn)臂的支柱裝置。此臨時(shí)支護(hù)方式設(shè)備體積小，活動(dòng)靈活，機(jī)載支護(hù)在支護(hù)的同時(shí)也將鋼絲網(wǎng)靈活地頂在頂板上，此時(shí)工人在機(jī)載支護(hù)下面對(duì)頂板進(jìn)行錨桿、錨索施工作業(yè)，極大地方便了掘進(jìn)巷道支護(hù)作業(yè)。

在機(jī)載支護(hù)作業(yè)過(guò)程中，頂梁架直接受到頂板的作用力，是整個(gè)機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵受力部件，機(jī)載支護(hù)機(jī)構(gòu)如圖1所示。頂梁一般以方鋼或工字鋼作為結(jié)構(gòu)件鋼材［3］，本頂梁架利用方鋼為基礎(chǔ)材料，通過(guò)焊接而成，設(shè)計(jì)支護(hù)面積為1.2 m×1.5 m，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，其中液壓系統(tǒng)最大壓力為16 MPa［4］。頂梁焊接成鋼架結(jié)構(gòu)，在鋼架處安裝磁鐵（圖2的黑色點(diǎn)處為磁鐵的安裝位置）。這樣在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，工人在頂梁架上鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，在機(jī)載支護(hù)升降過(guò)程中，磁鐵對(duì)鋼絲網(wǎng)吸引，使得鋼絲網(wǎng)平整地鋪設(shè)在頂板上，提高了掘進(jìn)巷道的成形質(zhì)量。當(dāng)頂梁架支撐在頂板上后，作業(yè)人員可以在鋼架間的空隙處打入錨桿，方便巷道的掘進(jìn)和支護(hù)。整機(jī)關(guān)鍵部件配置參數(shù)如表1所示。

圖1 機(jī)載支護(hù)機(jī)構(gòu)

圖2 頂梁架結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 支護(hù)頂梁架力學(xué)分析

2.1 支護(hù)頂梁架受力分析

掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)在支護(hù)頂板時(shí)，頂梁架與頂板直接接觸，頂梁架主要受到頂板的壓力，方向向下，垂直于接觸面，載荷為q。頂梁架主要通過(guò)支撐油缸和升降油缸進(jìn)行鋪網(wǎng)和頂板的支護(hù)作業(yè)，支撐油缸主要起支撐頂梁架作用，升降油缸不僅起支撐作用，還要與其他油缸配合對(duì)頂梁架進(jìn)行折疊和回收。折疊油缸對(duì)頂梁架沒(méi)有直接作用力，主要用于機(jī)載支護(hù)的折疊。由此可見(jiàn)，頂梁架在支護(hù)頂板時(shí)，在與油缸的鉸接處受到油缸的支撐力F1和F2，方向平行于油缸方向，與頂板壓力力矩平衡，如圖3所示。

表1 整機(jī)關(guān)鍵部件配置參數(shù)表

圖3 頂梁架受力圖

2.2 基于Nastran支護(hù)頂梁架分析計(jì)算

Nastran是計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，也是較為常見(jiàn)的有限元求解器，可以與眾多CAD軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。UG將Nastran集成，可以將UG設(shè)計(jì)模塊與有限元分析計(jì)算模塊融為一體，極大地方便了設(shè)計(jì)與分析。本設(shè)計(jì)就是通過(guò)UG Nastran模塊，對(duì)頂梁架進(jìn)行力學(xué)分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的頂梁架是否達(dá)到對(duì)空頂區(qū)的支護(hù)要求。

頂梁架質(zhì)量為76 kg，初步設(shè)計(jì)支撐重量為25 k N。為了模擬巷道支護(hù)的實(shí)際狀況，以實(shí)際尺寸在UG中建立頂梁架的三維模型。UG Nastran與UG可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接，將UG模型導(dǎo)入Nastran后，對(duì)頂梁架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇四面體單元?jiǎng)澐钟邢拊W(wǎng)格（網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm），并將材料力學(xué)性能賦予頂梁架模型中。

頂梁架鋼材的彈性模量為200 GPa；泊松比為0.27；密度為7 900 kg／m3；抗拉強(qiáng)度為600 MPa；頂梁架設(shè)計(jì)要求安全系數(shù)為3。

以機(jī)載支護(hù)頂梁架承受25 k N的壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，作用面為頂梁架與巷道頂板接合處，以機(jī)載支護(hù)最大展開(kāi)角度進(jìn)行分析。頂梁架與油缸主要有4處鉸接，當(dāng)機(jī)載支護(hù)支撐頂板時(shí)垂直載荷與4處鉸接點(diǎn)的受力F1（兩處）和F2（兩處）達(dá)到力矩平衡。在Nastran中，為頂梁架模型施加垂直于頂梁架頂板接觸面且大小為25 k N的力，均勻分布于頂梁架方鋼接觸面，方向豎直向下。在油缸與頂梁架鉸接處施加120°（升降油缸鉸接處）和110°（支撐油缸鉸接處）方向的簡(jiǎn)支約束。

通過(guò)UG Nastran軟件強(qiáng)大的后處理功能，對(duì)機(jī)載支護(hù)頂梁架自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算［5］，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：頂梁架最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)的升降油缸處，應(yīng)力大?。ㄕ龖?yīng)力）為186.9 MPa。頂梁架實(shí)際使用過(guò)程中也顯示，彎曲易發(fā)生在升降油缸處，彎曲位置與理論計(jì)算較為一致。頂梁架所用45方鋼抗拉極限強(qiáng)度為600 MPa，在巷道環(huán)境中和在安全系數(shù)為3的情況下可滿足使用要求。

圖4 頂梁架應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

巷道掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)巷道工作面迎頭臨時(shí)支護(hù)安全性一直是煤礦需要解決的主要問(wèn)題。掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)可以極大地提高掘進(jìn)的安全性，而頂梁架是否能滿足支護(hù)的要求，決定著迎頭臨時(shí)支護(hù)的安全性和掘進(jìn)效率。本文對(duì)頂梁架進(jìn)行有限元分析，理論上校核了其安全性。在有限元分析計(jì)算時(shí)，為了使結(jié)果更加符合實(shí)際，應(yīng)在有限元軟件中進(jìn)行如下設(shè)置：

（1）在簡(jiǎn)化的同時(shí)應(yīng)對(duì)零件模型主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)尺寸的建立。

（2）網(wǎng)格劃分時(shí)，主體結(jié)構(gòu)達(dá)到中等精度，與油缸鉸接處和估計(jì)最大應(yīng)力分布處可以進(jìn)行細(xì)化。對(duì)鉸接處的約束類型選簡(jiǎn)支約束。

（3）對(duì)應(yīng)力集中處，可焊接加強(qiáng)筋來(lái)加固頂梁架，以提高其支護(hù)強(qiáng)度。

［1］ 焦軍鋒.工字鋼巷道掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.河北煤炭，2011（1）：32－35.

［2］ 高春花.2種形式掘進(jìn)機(jī)機(jī)載支護(hù)的差異分析［J］.煤礦機(jī)械，2009（5）：85－86.

［3］ 王宏奇，焦其峰.EBZ－100型掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)器的設(shè)計(jì)［J］.河北煤炭，2007（3）：30－31.

［4］ 簡(jiǎn)博.掘進(jìn)機(jī)機(jī)載液壓臨時(shí)支護(hù)的研制與應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2007（7）：9－10.

［5］ 李立友，李芳，袁旦.基于Nastran的汽車轉(zhuǎn)向危險(xiǎn)工礦有限元分析［J］.機(jī)電工程，2010（3）：38－40.