于熙坤

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部長平煤業(yè)有限責任公司，山西 晉城 048411）

引言

液壓錨桿鉆車是煤礦開采的關鍵設備，通過對巷道中施工錨桿結構來提高巷道的整體作業(yè)環(huán)境及安全性[1]。但在實際巷道錨桿施工中，由于存在不同硬度的地質(zhì)條件，加上經(jīng)常有較大的外部阻力作用，導致錨桿鉆車在實際施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)結構變形、局部開裂、電機燒壞、錨桿施工效率低等問題，其中，支撐架則是錨桿鉆車中的關鍵部件，由于其主要為受力件結構，導致其經(jīng)常出現(xiàn)結構變形或局部斷裂問題[2]。為此，以CMM2-15型錨桿鉆車中支撐架為分析對象，采用有限元分析方法，開展了支撐架的結構性能研究，通過拓撲優(yōu)化方法，完成了支撐架的結構優(yōu)化改進和分析，這對實際作業(yè)時加強錨桿鉆車的結構保護和改進具有重要指導意義。

1 錨桿鉆車結構組成分析

液壓錨桿鉆車是煤礦巷道施工中的關鍵設備，其結構主要包括了履帶行走裝置、變幅機構、動力鉆頭、支撐架、液壓缸及液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分[3]，其中，支撐架主要承受著來自鉆進時的巖石反作用力、安裝平臺重力及其他部分的自身重力等，導致其在使用時經(jīng)常出現(xiàn)結構嚴重變形、局部開裂或斷裂等失效現(xiàn)象，因此要求所設計的支撐架需具有較高的結構強度[4]。以CMM2-15型錨桿鉆車為例，該鉆車的施工高度相對較高，能施工的巷道高度為3.5 m，人員可根據(jù)作業(yè)需求對安裝平臺進行左右、上下方位調(diào)整，以實現(xiàn)不同角度、不同方位的錨桿施工操作，具有施工效率高，支護作業(yè)時間短等特點[5]，液壓錨桿鉆車的結構示意圖如圖1所示。

圖1 液壓錨桿鉆車結構圖

2 支撐架模型建立

2.1 三維模型建立

CMM2-15型錨桿鉆車的結構特點，為進一步分析支撐架的結構性能，按照1：1的模型比例，采用了Solidworks軟件對其進行了三維模型建立。在建模過程中，首先將支撐架中的圓角、倒角、非關鍵圓孔等特征進行了模型簡化，以提高后文對支撐架的分析精度及準確性；同時，在建模過程中，不考慮模型的結構焊接問題，將其考慮為焊接牢固。所建立的支撐架三維模型如圖2所示。

圖2 支撐架三維模型

2.2 仿真模型建立

將所建立的支撐架三維模型保存為x_t格式后導入至ANSYS軟件中，對其進行仿真模型建立。由于支撐架在實際使用過程中主要采用了Q235材料進行焊接加工，故在軟件中將其材料屬性設置為Q235材料，其密度為7 850 kg/m3，屈服強度235 MPa，彈性模量206 GPa，泊松比0.28[6]。同時，利用軟件中的網(wǎng)格劃分功能，將其設置為Solid實體單元類型，網(wǎng)格單元為四面體網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為12 mm。對支撐架中頂板上施加50 kN的載荷力，底板設置為固定約束，尾端的液壓缸鉸接耳設置為contact接觸約束，由此，完成了支撐架的仿真模型建立。

3 支撐架結構性能分析

3.1 結構應力變化分析

通過所建立的支撐架仿真模型，得到了支撐架的應力變化結果。由圖3可知，支撐架整體結構出現(xiàn)了較為明顯的應力分布不均勻現(xiàn)象，局部區(qū)域出現(xiàn)了較大的應力集中，最大應力主要集中在支撐架尾端的左右縱梁上，應力值為277.35 MPa，超過了其材料的屈服強度235 MPa，尾端的液壓缸鉸接耳處也出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象；同時，沿著支撐架向前，縱梁及其他區(qū)域的應力呈逐漸減小的變化趨勢。而支撐架的上頂板應力值也相對較低。分析其原因為：支撐在舉升左右縱梁時，來巖石阻力及外部重力通過液壓缸傳遞至支撐架的左右縱梁上，導致其結構出現(xiàn)了較為明顯的應力集中現(xiàn)象。若支撐架在此狀態(tài)下長時間作業(yè)，將極可能出現(xiàn)結構變形或局部斷裂的風險，需對其進行結構優(yōu)化改進。

圖3 支架架應力變化圖

3.2 結構位移變化分析

通過分析研究，得到了支撐架的位移變化圖，如圖4所示。由圖可知，支撐架整體結構位移也呈現(xiàn)出分布不均勻現(xiàn)象，局部區(qū)域產(chǎn)生了較大的結構變形，最大變形位移發(fā)生在支撐架的前端左右縱梁及腹板上，位移值為9.810 4 mm，整體變形量相對較大。沿著支撐架尾端方向，其結構的變形量呈現(xiàn)逐漸變小趨勢；支撐架的頂板變形位移也相對較大，集中在4mm左右。分析其原因為：支撐架在作業(yè)時，由于前端的距離相對較長，且受到較大的外界載荷作用，根據(jù)杠桿原理，前端的結構變形量則相對更大。若支撐架長時間處于此狀態(tài)，將極可能率先在前端發(fā)生結構發(fā)生較大幅度的變形，嚴重影響著錨桿鉆車的作業(yè)效率。

圖4 支撐架位移變化圖

4 支撐架的優(yōu)化改進

4.1 改進后的支撐架結構

根據(jù)支撐架的結構受力及變形情況，有必要對其進行優(yōu)化改進。在優(yōu)化過程中，主要增加左右縱梁結構尺寸，高度增加10 mm，寬度增加5 mm，厚度增加2 mm；同時，將縱梁中間的腹板進行刪除，以減輕支撐架的結構質(zhì)量。另外，將液壓缸連接的鉸接耳鋼板厚度增加了2 mm，寬度增加了4 mm。支撐架的材料屬性也設置為了Q345材料。優(yōu)化后的支撐架結構如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后支撐架模型圖

按照前文對支撐架的分析方式，對新型支撐架進行了仿真模型建立，其中，將新型支撐架的材料屬性設置為Q345材料，其材料的屈服強度為345 MPa，由此，開展了優(yōu)化后的支撐架結構性能研究。

4.2 新型支撐架應力變化分析

通過仿真分析，得到了新型支撐架的應力變化結果。由下頁圖6可知，支撐架整體應力分布較為均勻，支撐架前端及頂板等區(qū)域的應力均相對較??；支撐架的后端縱梁及腹板出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象，最大應力為172.21 MPa，遠遠小于其材料的屈服強度345 MPa。另外，優(yōu)化后的支撐架重量也由最初的455 kg降低至385 kg左右，減輕了70 kg，支撐架的整體重量明顯降低。降低了錨桿鉆車的燃料消耗。由此可說明，優(yōu)化后的支撐架具有更高的結構強度，更能滿足其在巷道中的錨桿施工作業(yè)需求，具有更好的實際應用效果。

圖6 優(yōu)化后支撐架應力變化圖

5 結論

1）支撐架的尾端左右縱梁出現(xiàn)了較大的應力集中現(xiàn)象，超過了其材料的屈服強度，前端縱梁及腹板出現(xiàn)了較大結構位移變形，在實際使用中，極可能率先在此區(qū)域出現(xiàn)結構變形、局部開裂或斷裂失效現(xiàn)象，嚴重影響支撐架的作業(yè)性能；

2）通過增加縱梁的結構尺寸、刪除支撐架中間腹板、將其材料改為Q345材料，完成了支撐架的結構優(yōu)化改進，改進后的支撐架重量減輕了70 kg；

3）采用相同的分析方法，對改進后的新型支撐架結構進行了仿真分析研究，得出改進后支撐架具有更高的結構強度，更能滿足巷道施工需求，改進效果明顯；

4）此研究對提高支撐架的結構性能、提高錨桿鉆車的作業(yè)效率及使用壽命、保障井下作業(yè)安全具有重要意義。