袁文丰，张红飞

(山西三元福达煤业有限公司，山西 长治 046300)

在煤矿井下安装和拆卸瓦斯管路的过程中，目前所采用的仍然是手拉葫芦等简易的起吊工具[1]，导致安装和拆卸的工艺流程复杂且效率低，工人不仅承受了较高的劳动强度而且在安装和拆卸过程中的安全性也得不到保障。为了解决上述问题，张兵提出了一种新颖的井下瓦斯抽放管路系统的吊挂施工方法[2]，但是这种方法并未从根本上解决瓦斯管路安装和拆卸过程中出现的问题。因此，迫切需要研制出一种能够在有限的井下空间中进行瓦斯管路安装和拆卸的专用起重设备，该设备应力求轻便、高效且可移动，这样不仅可降低劳动强度确保安全生产，而且可以提高生产效率，增加企业的经济效益。

基于上述需求，设计了一种可移动式瓦斯管路拆装起重设备，见图1，2，该设备是从传统的剪式举升机[3-5]演化、改造而来，该设备能够克服当前在井下瓦斯管路拆卸中所出现的突出问题，不仅可以满足企业的需求，而且对人身安全提供了一定的保障，考虑到煤矿井下安全性的要求，该设备通过液压进行传动。首先采用经典的力学方法对瓦斯管路专用拆卸设备的结构进行了设计，分析了结构在最危险工况下的危险点的应力情况，结构分析过程采用了有限元分析方法，将待分析模型分解成两个单元，单元之间通过节点相连，并建立了平面梁单元的本构方程，通过计算可知结构满足设计要求，且具有较大的设计余量。

图1 可移动式瓦斯管路拆装起重设备主视图

图2 可移动式瓦斯管路拆装起重设备左视图

1 结构设计及参数

可移动式瓦斯管路拆装起重设备的结构较为简单，主要由两个剪式的举升结构组成，并由液压缸提供动力。下面将对该结构在最危险工况下的危险点进行分析，以确保整体结构的安全性和稳定性。该设备最大可将瓦斯管举升3.2 m，将瓦斯管举至最高点时的工况见图1，此时，支撑臂同水平面的夹角达到极限为α=60°.

确定本设计的最危险工况为将瓦斯管举升至最高点时的情况，在此工况下需考虑载荷的偏心作用。因此，假设所有的载荷(一根瓦斯管的重量1 000 kg)全部集中在一根支撑臂上。此时的结构力学模型见图3，支撑臂结构所选材料为Q345.

图3 结构力学模型图

2 结构有限元分析

根据力学模型，可将该结构所承受的载荷分解成两部分，一部分是沿着轴线方向的载荷Fl，一部分为垂直于轴线方向的载荷Fv，其中Fl=F·sinα，Fv=F·cosα. 下面将分别基于上述两个方向的载荷对结构进行基于传统有限元理论的分析。

结构承受轴线方向载荷可参照力学的方法进行分析，结构应力计算如式(1)所示：

(1)

式中：

A—支撑臂横截面积，A=b·h；

b—支撑臂横截面宽，mm，取20；

h—支撑臂横截面高，mm，取100.

下面对结构进行基于垂直方向载荷的有限元理论分析和相应公式的推导。

2.1 结构的离散化和编号

图4所示为结构在仅承受垂直与轴线方向载荷的有限元模型，将该结构离散化为两个单元，节点位移及单元编号见图5，支撑臂的参数为：E=200 GPa.

图4 垂直于轴向方向结构力学模型图

图5 节点位移及单元图

假设3个节点的位移分别为c，则节点位移列阵为：

q=[v1θ1v2θ2v3θ3]T

(2)

对分布载荷进行等效节点载荷计算，则有节点载荷列阵：

P=[Ry1Mθ1Ry2Mθ2FVMθ3]T

(3)

式中:

Ryi—由外载荷的作用而引起的节点力(i=1,2,3)；

Mθi—由外载荷的作用而引起的节点弯矩(i=1,2,3)，且Mθ3=0，Mθ2=Fv·l.

2.2 计算各个单元的刚度矩阵

(4)

式中：l—单元长度，mm，取923.76；

Iz—惯性矩。

根据式(4)中刚度矩阵的一般形式，可计算出各个单元的刚度矩阵如下：

2.3 建立整体刚度方程

组装整体刚度方程并形成整体刚度方程为：

K·q=p

(5)

K=K(1)+K(2)

(6)

K=K(1)+K(2)=

则整体刚度方程为：

(7)

2.4 边界条件求解

根据对本文结构设计问题的描述，该问题的边界条件为：

v1=0，v2=0

将边界条件的数值带入式(7)的整体刚度方程中，经化简后可得：

Ry1=Fv，Ry1=-2Fv，Mθ1=0，Mθ2=Fv·l

2.5 结构应力计算

根据计算可知，支撑臂所承受的最大弯矩为Mθ2，承受最大弯矩的位置为支撑臂的中间截面，因此，中间截面为最危险的截面，下面对中间截面所承受的载荷进行计算：

轴向应力计算：

弯矩产生的应力计算：

应力合成：

σ=σl+σv=142.89 MPa

结构许用应力，对于Q345，其许用应力的计算如下所示：

因此，σ<[σ]，证明结构强度满足设计要求，结构设计合理，结构的安全余量较大可进一步采用优化设计方法对结构进行轻量化设计。

3 结 论

本文设计了一种能够在煤矿井下进行瓦斯管路装卸和安装的专用设备，该设备能够充分地利用井下空间，具有效率高的优点。从设备的结构安全性为出发点，对其结构进行了受力分析和应力计算，本文的计算过程采用了基于有限元的理论分析方法，将结构划分成两个梁单元，通过建立梁单元的刚度方程并组合求解，可计算出结构满足设计要求，且具有较大的安全余量。

参 考 文 献

[1] 李 增.煤矿井下斜巷瓦斯管路吊挂安装技术的应用[J]. 建筑工程技术与设计, 2015(34): 275.

[2] 张 兵. 井下瓦斯抽放管路系统吊挂施工方法[J]. 山西建筑, 2014(28): 86-87.

[3] 顾金华. 超薄双层大剪举升机设计研究[J]. 科技展望, 2016, 26(32)：16-17.

[4] 黄火辉. 关于汽车举升机的设计与研究[J]. 机电产品开发与创新, 2017, 30(1): 50-52.

[5] 王 禹, 孙 宇, 武 凯. 分离式便携汽车举升机刚度与强度分析[J]. 机械与电子, 2016, 34(7):34-37.