基于Nastran掘进机机载支护顶梁架受力分析

张志利

（大同煤矿集团 朔州煤电公司，山西 怀仁 038300）

0 引言

近几年来，随着煤矿掘进技术的发展，巷道掘进时会在掘进机上安装前探梁临时支护，用以缓减巷道空顶区的支护压力。顶梁架作为机载支护的重要零部件，其设计强度能否满足安全要求至关重要。在支护时，一旦顶梁架破断，后果不堪设想。为此，本文基于Nastran软件对掘进机机载支护顶梁架进行受力分析。

1 掘进机机载支护工作原理

掘进巷道时，当掘进机掘进一段巷道后，掘进面就会产生一段空顶区域，为了进行空顶区域的支护，需要在此位置打入锚杆。在没有任何形式支护的空顶区域下作业危险性较大，为此设计临时支护，对空顶区进行支护［1］。当掘进机停机后，截割头置地，通过油缸伸缩使顶梁架与顶板接触，对空顶区域进行支护，可减小掘进面迎头压力，减少空顶区域的不安全因素。掘进机机载支护的形式有多种，目前主要使用的有两种［2］：①将机载支护安装在掘进悬臂上，该方式利于低巷道的掘进，其支护装置尺寸小，但作业时容易遮挡掘进机司机的视线；②将机载支护安装在机身上，这样支护伸缩量大，装置体积较大，不利于中小巷道的使用。根据大同煤矿集团朔州矿掘进巷道断面较小的情况，设计了安装于掘进臂的支柱装置。此临时支护方式设备体积小，活动灵活，机载支护在支护的同时也将钢丝网灵活地顶在顶板上，此时工人在机载支护下面对顶板进行锚杆、锚索施工作业，极大地方便了掘进巷道支护作业。

在机载支护作业过程中，顶梁架直接受到顶板的作用力，是整个机构中的关键受力部件，机载支护机构如图1所示。顶梁一般以方钢或工字钢作为结构件钢材［3］，本顶梁架利用方钢为基础材料，通过焊接而成，设计支护面积为1.2 m×1.5 m，其结构尺寸如图2所示，其中液压系统最大压力为16 MPa［4］。顶梁焊接成钢架结构，在钢架处安装磁铁（图2的黑色点处为磁铁的安装位置）。这样在巷道掘进过程中，工人在顶梁架上铺设钢丝网，在机载支护升降过程中，磁铁对钢丝网吸引，使得钢丝网平整地铺设在顶板上，提高了掘进巷道的成形质量。当顶梁架支撑在顶板上后，作业人员可以在钢架间的空隙处打入锚杆，方便巷道的掘进和支护。整机关键部件配置参数如表1所示。

图1 机载支护机构

图2 顶梁架结构尺寸图

2 支护顶梁架力学分析

2.1 支护顶梁架受力分析

掘进机机载支护在支护顶板时，顶梁架与顶板直接接触，顶梁架主要受到顶板的压力，方向向下，垂直于接触面，载荷为q。顶梁架主要通过支撑油缸和升降油缸进行铺网和顶板的支护作业，支撑油缸主要起支撑顶梁架作用，升降油缸不仅起支撑作用，还要与其他油缸配合对顶梁架进行折叠和回收。折叠油缸对顶梁架没有直接作用力，主要用于机载支护的折叠。由此可见，顶梁架在支护顶板时，在与油缸的铰接处受到油缸的支撑力F1和F2，方向平行于油缸方向，与顶板压力力矩平衡，如图3所示。

表1 整机关键部件配置参数表

图3 顶梁架受力图

2.2 基于Nastran支护顶梁架分析计算

Nastran是计算机辅助工程软件，也是较为常见的有限元求解器，可以与众多CAD软件实现数据交换。UG将Nastran集成，可以将UG设计模块与有限元分析计算模块融为一体，极大地方便了设计与分析。本设计就是通过UG Nastran模块，对顶梁架进行力学分析，以验证所设计的顶梁架是否达到对空顶区的支护要求。

顶梁架质量为76 kg，初步设计支撑重量为25 k N。为了模拟巷道支护的实际状况，以实际尺寸在UG中建立顶梁架的三维模型。UG Nastran与UG可以实现无缝链接，将UG模型导入Nastran后，对顶梁架模型进行网格划分，选择四面体单元划分有限元网格（网格大小设置为20 mm），并将材料力学性能赋予顶梁架模型中。

顶梁架钢材的弹性模量为200 GPa；泊松比为0.27；密度为7 900 kg／m3；抗拉强度为600 MPa；顶梁架设计要求安全系数为3。

以机载支护顶梁架承受25 k N的压力进行设计，作用面为顶梁架与巷道顶板接合处，以机载支护最大展开角度进行分析。顶梁架与油缸主要有4处铰接，当机载支护支撑顶板时垂直载荷与4处铰接点的受力F1（两处）和F2（两处）达到力矩平衡。在Nastran中，为顶梁架模型施加垂直于顶梁架顶板接触面且大小为25 k N的力，均匀分布于顶梁架方钢接触面，方向竖直向下。在油缸与顶梁架铰接处施加120°（升降油缸铰接处）和110°（支撑油缸铰接处）方向的简支约束。

通过UG Nastran软件强大的后处理功能，对机载支护顶梁架自动进行应力分析计算［5］，结果如图4所示。

由图4可知：顶梁架最大弯曲应力发生在掘进机机载支护的升降油缸处，应力大小（正应力）为186.9 MPa。顶梁架实际使用过程中也显示，弯曲易发生在升降油缸处，弯曲位置与理论计算较为一致。顶梁架所用45方钢抗拉极限强度为600 MPa，在巷道环境中和在安全系数为3的情况下可满足使用要求。

图4 顶梁架应力分布图

3 结论

巷道掘进时，掘进巷道工作面迎头临时支护安全性一直是煤矿需要解决的主要问题。掘进机机载支护可以极大地提高掘进的安全性，而顶梁架是否能满足支护的要求，决定着迎头临时支护的安全性和掘进效率。本文对顶梁架进行有限元分析，理论上校核了其安全性。在有限元分析计算时，为了使结果更加符合实际，应在有限元软件中进行如下设置：

（1）在简化的同时应对零件模型主体结构进行真实尺寸的建立。

（2）网格划分时，主体结构达到中等精度，与油缸铰接处和估计最大应力分布处可以进行细化。对铰接处的约束类型选简支约束。

（3）对应力集中处，可焊接加强筋来加固顶梁架，以提高其支护强度。

［1］ 焦军锋.工字钢巷道掘进机机载支护装置的设计与应用［J］.河北煤炭，2011（1）：32－35.

［2］ 高春花.2种形式掘进机机载支护的差异分析［J］.煤矿机械，2009（5）：85－86.

［3］ 王宏奇，焦其峰.EBZ－100型掘进机机载临时支护器的设计［J］.河北煤炭，2007（3）：30－31.

［4］ 简博.掘进机机载液压临时支护的研制与应用［J］.煤炭技术，2007（7）：9－10.

［5］ 李立友，李芳，袁旦.基于Nastran的汽车转向危险工矿有限元分析［J］.机电工程，2010（3）：38－40.