新型U型梯子梁设计及应用前景分析

闫汝山，刘杰辉

(河北工程大学机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

煤矿开采过程中，梯子梁被用来支撑矿井巷道顶部，以达到加固巷岩体的作用。梯子梁在各个矿井中使用非常普遍且用量巨大。作为煤矿生产行业重要的安全设施之一，梯子梁的安全性至关重要。焊接是梯子梁生产中必不可少的步骤，传统矿用梯子梁失效形式主要是焊接部位出现疲劳变形。传统梯子梁焊接部位为环形，焊接工艺复杂，焊接缺陷多，易出现疲劳失效。本文设计出一种新型U型梯子梁，并对其中φ 14 mm圆钢、长度900 mm的新型U型梯子梁进行有限元分析。

1 人工焊接的缺点分析

矿用金属梯子梁主要用于锚杆支护、煤巷掘进以及隧道加固等[1-2]，应用广泛、需求量大，目前国内矿用梯子梁的焊接基本依靠人工焊接。但人工焊接生产效率低，劳动强度大，难以保证煤矿的生产需要；受焊工技能的影响，产品质量一致性差，残次品多，质量不稳定。人工焊接产品容易出现诸如漏焊、毛刺、夹渣等外观缺陷和焊接疏松、气孔、裂纹等制造缺陷[3-4]。外观缺陷影响产品销路，而制造缺陷存在潜在的安全隐患。解决这些制造问题，根本就是防止生产者劳动过程中的操作不当，但由于技术水平、心态情绪、生产责任等因素制约，人工焊接较难解决。

人工焊接对焊接工人的身体健康有很大影响。人工焊接存在有毒烟雾、强光刺激、低温烘烤以及长时间保持各种姿势等问题[5]，容易对工作人员身体产生一定的危害。现在大量制造企业缺少操作工人，愿意从事焊接的工人更少，技术娴熟的焊接工人就更难招聘。

人工焊接生产中材料及能源的消耗也较难掌控，加上较高的残次品率及较高的人员工资，使得人工焊接的生产成本居高不下。

2 新型梯子梁的优点

传统的梯子梁以2个平行放置的长钢筋为梁，梁之间焊接若干个垂直放置的短、直钢筋支撑肋[6]。与传统梯子梁不同，本文设计的U型矿用梯子梁由2个并列的梁和连接2个梁的若干个U形肋构成。实际生产中，U形肋由1根钢筋机器折弯而成，2根并列的长钢筋与U形肋的两侧边焊接，整体上呈现出封闭结构，如图1所示。

图1 新型梯子梁三维结构图

传统梯子梁内部结构为垂直交错的直钢筋点焊焊接而成。与传统梯子梁相比，新型U型梯子梁具有以下优点：焊接部位为直线形，焊接操作过程简单；U型部位与两侧的梁接触面积大，焊接紧固性好；正反两面共计4个焊道，焊接位置少，单件生产工时短，生产效率高。

3 新型梯子梁的有限元分析

由于矿下环境复杂，梯子梁在实际生产中会有多种型号来适应环境需求。本文对φ 14 mm圆钢、长度900 mm新型U型梯子梁焊接过程进行位移、残余应力进行分析，分析结果如下。

3.1 焊接位移结果分析

图2是梯子梁冷却至外界环境温度后的位移云图。由于焊接时存在先后顺序，所以在焊接结束后梯子梁两侧位移的变化并不是关于x方向的完全对称。

图2 梯子梁位移云图

从云图上可以明显看出，梯子梁整体位移梯度变化平滑，在焊接附近区域，位移最小；距离焊接区域越远位移越大，最大位移出现在梯子梁的两端，最大位移为0.14 mm。

图3是梯子梁焊接过程中最大位移随时间的变化曲线，曲线出现4个波峰，对应4个焊缝完成时的位移，其中最大位移出现在第1个焊缝完成时，位移量达到了2.9 mm，这是由于在进行第1道焊缝的焊接作业时，由于U形肋与梁的约束几乎不存在，焊接时梯子梁最容易受到影响而产生变形。

图3 梯子梁焊接过程位移变化曲线

第2道焊缝完成后，几何位置的对称性决定了第2道焊缝产生的位移与第1道相反，并且由于第1道焊缝的约束，所以明显可以看出在第2道焊缝完成后梯子梁最大位移反而会有明显下降。

进行第3道焊缝时，虽然产生的位移影响与第1道焊缝方向相同，但是由于前2道焊缝已经完成，U形肋与梁的约束变多，此时的最大位移峰值不会超过2.9 mm。同理，第4道焊缝完成后最大位移也会稍微降低。

3.2 焊接残余应力分析

图4是梯子梁的应力云图。从云图上看，x轴方向上梯子梁整体应力几乎相同。焊接完成后，梯子梁冷却至外界环境温度，梯子梁最大残余应力为116.55 MPa。U形肋的两侧残余应力几乎相同，最大残余应力的出现主要是U形肋与梁的连接区域是焊接热的集中区域。焊接前后的温度梯度较大，所以在焊接后应力主要集中在相切的区域。从几何结构上看，由于焊接上下存在对称性，残余应力的分布也几乎是对称的。

图4 梯子梁残余应力云图

图5是梯子梁在x方向上的应力分布曲线，最大应力出现在475 mm处，这是由于U形肋的底部有一个弯曲，在450 mm附近应力不是对称分布，导致肋的开口方向上应力比底部弯曲处要大。在远离焊接中心的区域，应力的分布基本对称。

图5 x轴方向上应力分布曲线

4 结论

本文借助ANSYS有限元软件对φ 14 mm圆钢、900 mm长度新型U型梯子梁焊接过程进行了数值模拟，在此基础上对梯子梁的位移、残余应力进行了全面分析。对新型U型梯子梁的实际生产具有一定的指导意义。

1)U形肋焊接第1道焊缝时，由于约束最少，产生的变形量最大，所以焊接时应保证U型肋与梁之间的约束关系，焊接前可以采用点焊固定位置。

2)梯子梁的位移变化并不是完全对称，最大位移出现在靠近最后一道焊缝侧。

3)新型梯子梁的安全性符合煤矿井下作业要求，可以进行生产线的开发研究。