廢棄u型鋼改形錨索盤(pán)受力特性分析

0u型鋼改形錨索盤(pán)的制作近年來(lái)，錨網(wǎng)保護(hù)已成為中國(guó)煤礦地下道路保護(hù)的主要類型。該錨索防護(hù)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的錨固定面積大、可以產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力等特點(diǎn)，已成為道路錨索網(wǎng)保護(hù)的重要組成部分。在保證安全生產(chǎn)的情況下,降低生產(chǎn)成本,成為礦井生存發(fā)展的第一要素,礦用支護(hù)材料的再利用是降低生產(chǎn)成本的首選。將廢棄的U型鋼加熱處理后,通過(guò)壓力機(jī)將其壓制成平板,縱向截取長(zhǎng)度不一的平板,并在中心開(kāi)孔,可制作成供錨索使用的托盤(pán),使其達(dá)到較好的護(hù)表效果。在U型鋼改形錨索托盤(pán)受力過(guò)程中,改形托盤(pán)橫向的寬度由U型鋼的型號(hào)決定而難以改變;某種程度上,縱向的長(zhǎng)度決定了U型鋼改形錨索托盤(pán)抗變形破壞的能力。因此,針對(duì)U型鋼改形錨索托盤(pán)不同尺寸進(jìn)行力學(xué)分析,使廢棄U型鋼改形托盤(pán)的力學(xué)性能充分發(fā)揮,對(duì)于防止錨索支護(hù)系統(tǒng)失效,保障頂板安全可靠和提高廢棄材料再利用,降低生產(chǎn)成本具有重要實(shí)用價(jià)值。1不同尺寸的u型重組盤(pán)模擬分析1.1縱向長(zhǎng)度對(duì)改形錨索盤(pán)力學(xué)特征的影響模擬采用新型U25型鋼壓平后的實(shí)際結(jié)構(gòu),橫向?qū)挾葹?80mm;在橫向?qū)挾葻o(wú)法改變的條件下,分別模擬不同縱向長(zhǎng)度時(shí)U25型鋼改形錨索托盤(pán)的力學(xué)特征,從中找出最優(yōu)的U型鋼改形錨索托盤(pán)尺寸。模擬方案分8種情況,方案1—8的縱向長(zhǎng)度分別200、220、240、260、280、300、320、340mm,每種情況縱向長(zhǎng)度相差20mm。采用有限元模擬軟件,將U型鋼改形托盤(pán)模型簡(jiǎn)化為彈性變形進(jìn)行模擬分析。1.2錨索盤(pán)的受力狀態(tài)根據(jù)新型U25型鋼壓平后的實(shí)際尺寸,建立U型鋼改形錨索托盤(pán)模型,采用托盤(pán)與錨索鎖具裝配結(jié)構(gòu)模擬U型鋼改形錨索托盤(pán)的受力狀態(tài),如圖1所示。向U型鋼改形錨索托盤(pán)上部表面施加均布載荷,施加的載荷根據(jù)不同縱向長(zhǎng)度而定,但換算成表面力均為100kN,相當(dāng)于鎖具處受上部U型鋼改形托盤(pán)的壓力為100kN,鎖具下部為固定面。改形托盤(pán)的材料密度取7858kg/m1.3改形錨索盤(pán)的均布力分析1)各模擬方案在施加100kN的均布力作用下,U型鋼改形錨索托盤(pán)應(yīng)力分布如圖2所示。圖2中應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在鎖具與改形托盤(pán)的接觸部位及改形托盤(pán)的孔口位置。沿著縱向方向由上到下應(yīng)力逐漸增大,托盤(pán)孔口位置應(yīng)力達(dá)到最大。沿著橫向方向由遠(yuǎn)到近方向,由于托盤(pán)靠近邊緣存在凹槽,局部出現(xiàn)應(yīng)力集中,而后越靠近托盤(pán)孔,應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯。孔口處的應(yīng)力過(guò)度集中將造成該位置在錨索受力較大時(shí)容易被撕裂。U型鋼改形錨索托盤(pán)縱向長(zhǎng)度由200mm增大到340mm時(shí),所受的最大應(yīng)力分別為1193、2801、4717、2806、3321、5939、3594和4854MPa。隨著U型鋼改形錨索托盤(pán)縱向長(zhǎng)度的變化,最大應(yīng)力的變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出,U型鋼改形錨索托盤(pán)在相同的均布力作用下,托盤(pán)所受的最大應(yīng)力在起伏變化,但總體呈增大的趨勢(shì)。縱向托盤(pán)長(zhǎng)度分別為240mm和300mm時(shí),受托盤(pán)結(jié)構(gòu)的作用,最大應(yīng)力突然增大。因此,從托盤(pán)受力特征看,縱向長(zhǎng)度應(yīng)避開(kāi)這兩點(diǎn)附近取值。從托盤(pán)對(duì)圍巖護(hù)表作用來(lái)看,U型鋼改形錨索托盤(pán)的縱向長(zhǎng)度在320mm處取點(diǎn)較為合適。2)各模擬方案在施加100kN的均布力的作用下,U型鋼改形錨索托盤(pán)位移分布如圖4所示。在相同均布力作用下,U型鋼改形錨索托盤(pán)位移量由孔口中心向四周逐漸增大,且最大位移量均出現(xiàn)在改形托盤(pán)的4個(gè)角處,表明U型鋼改形錨索托盤(pán)在4個(gè)角處發(fā)生的彎曲變形較大。U型鋼改形錨索托盤(pán)縱向長(zhǎng)度由200mm增大到340mm時(shí),最大位移分別為2.196、2.102、1.960、1.946、2.093、2.103、2.244和2.495mm。隨著U型鋼改形錨索托盤(pán)縱向長(zhǎng)度的變化,最大位移變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出,U型鋼改形錨索托盤(pán)在相同的均布力作用下,隨著縱向長(zhǎng)度的增大,改形托盤(pán)的最大位移先減小,隨后逐漸增大。在縱向長(zhǎng)度為260mm時(shí)最大位移最小,在縱向長(zhǎng)度大于320mm時(shí)最大位移量增加速度突然變大。故從最大位移來(lái)看,改形托盤(pán)縱向長(zhǎng)度取不大于320mm為宜。2u鋼硬件彎曲變形力學(xué)分析2.1盤(pán)橫橫邊界面確定為計(jì)算在受力過(guò)程中U型鋼改形托盤(pán)各部分的變形程度,將改形托盤(pán)看成以鎖具作為支點(diǎn)沿著托盤(pán)某一方向的懸臂梁模型橫向方向簡(jiǎn)化為如圖6所示的矩形變截面的懸臂梁,圖中B為改形托盤(pán)橫向支點(diǎn),A為改形托盤(pán)橫向邊界。建立直角坐標(biāo)系,交點(diǎn)O通過(guò)邊界A垂直厚度的中心,y軸為垂直改形托盤(pán),x軸平行于改形托盤(pán)平面,M-M剖面是矩形變截面懸臂梁的任意剖面圖。利用函數(shù)差值得出橫向方向懸臂梁變截面的高度h(x)為慣性矩I(x)的表達(dá)式為,式中:h(x)為懸臂梁橫截面高度;b為懸臂梁橫截面寬度;H、a分別為懸臂梁橫截面最大、小高度;l為懸臂梁的長(zhǎng)度;x為距固定端的距離,0≤x≤l。將圖中變截面長(zhǎng)度分成N段,各分段處截面的慣性矩為I縱向方向上懸臂梁截面為等直面,則慣性矩為2.2u型鋼改形盤(pán)健全的撓度方程以彈性力學(xué)的基本假設(shè)為基礎(chǔ)U型鋼改形受力過(guò)程中,與圍巖相接觸的面受均布載荷作用,與鎖具相接觸的面受點(diǎn)載荷的作用。均布載荷作用下懸臂梁力學(xué)模型如圖7所示。由于U型鋼改形托盤(pán)簡(jiǎn)化的懸臂梁滿足跨長(zhǎng)大于橫截面高度的10倍,剪力對(duì)于梁彎曲變形的影響很小,可忽略不計(jì),則懸臂梁的撓度曲線微分方程為沿著托盤(pán)縱向方向?yàn)榈冉孛嬷绷?其彎曲剛度為一常量,則(5)式可以改寫(xiě)為將(6)式兩端各乘以dx,經(jīng)積分得式中:常數(shù)C托盤(pán)橫向方向撓度方程表達(dá)式為式中:q為懸臂梁線載荷,q=F(2l-D),N/m;D為托盤(pán)孔直徑,一般為30mm;E為彈性模量,Pa。2.3改形托盤(pán)彎曲變形方程的數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果比較U型鋼改形錨索托盤(pán)在3.2MPa(改形托盤(pán)承受壓力為200kN)的均布載荷作用下,托盤(pán)縱向長(zhǎng)度取320mm,橫向?qū)挾葹?80mm。從橫向方向的參數(shù)q=8.696×10代入式(8)得改形托盤(pán)縱向彎曲變形方程為將式(10)、式(11)改形托盤(pán)的彎曲變形方程計(jì)算出的結(jié)果同改形托盤(pán)縱向長(zhǎng)度為320mm時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果繪制在同一坐標(biāo)圖中,如圖8所示。圖中8a由縱向方向上結(jié)點(diǎn)的理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果的位移差值集中在0.0008~0.0088mm范圍內(nèi),從差值曲線可以看出,理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果很相近。圖中8b沿縱向A到B方向上結(jié)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果的位移差在托盤(pán)0~0.35mm區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng),出現(xiàn)這種情況的原因是由于該處的結(jié)點(diǎn)選擇在托盤(pán)的邊緣區(qū)域,而邊緣區(qū)域加厚。而懸臂梁假設(shè)則忽略了此情況,導(dǎo)致公式計(jì)算結(jié)果較數(shù)值模擬結(jié)果偏大。沿縱向路徑線其他區(qū)域差值為0.10~0.38mm。從理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析來(lái)看,理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,表明數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。3改形錨索盤(pán)錨內(nèi)變形的已固結(jié)構(gòu)影響下,改形盤(pán)1)從理論計(jì)算與數(shù)值模擬分析來(lái)看,不同縱向長(zhǎng)度的U型鋼改形錨索托盤(pán)的在相同載荷力的作用下,產(chǎn)生彎曲變形及力學(xué)特征分布不是隨著改形托盤(pán)縱向長(zhǎng)度的增大呈線性變化的,中間有起伏變化的點(diǎn),但整體呈增大的趨勢(shì)。2)從U型鋼改形錨索托盤(pán)最大應(yīng)力分布來(lái)看,縱向長(zhǎng)度分別為240mm和300mm時(shí),受改形托盤(pán)結(jié)構(gòu)的影響,最大應(yīng)力突然增大,其縱向長(zhǎng)度應(yīng)避開(kāi)這兩點(diǎn)附近取值,而縱向長(zhǎng)度在320mm時(shí),最大應(yīng)力處于相對(duì)較低值。從最大位移來(lái)看,縱向長(zhǎng)度260mm時(shí)最大位移是最小的,最大位移大于320mm時(shí)增加速度突然變大。3)托盤(pán)的作用是為巷道圍巖提供強(qiáng)有力的護(hù)表構(gòu)件,因此,在保證錨索錨固力的前提下,U型鋼改形托盤(pán)的面積越大,對(duì)圍巖的護(hù)表效果越好。綜合考慮上述因素的影響,在U型鋼改形托盤(pán)產(chǎn)生彎曲變形量可接受的范圍內(nèi)充分發(fā)揮承載能力,其縱向長(zhǎng)度取320mm為宜。4u型鋼改形錨索盤(pán)將新鄭煤電公司廢棄的U25型鋼熱處理后在壓力機(jī)上碾軋成平板狀,并切割成長(zhǎng)度為320mm,中心鉆取直徑ue54f30mm的孔,制作成U型鋼改形錨索托盤(pán)。將該種類型的錨索托盤(pán)應(yīng)用于新鄭煤電公司井下12211工作面開(kāi)切眼。12211工作面開(kāi)切眼采用錨網(wǎng)索與架工字鋼聯(lián)合支護(hù),頂板采用直徑為?17.8mm,長(zhǎng)度6000mm的錨索,并匹配相應(yīng)的鎖具,U25型鋼改形托盤(pán)護(hù)表面。從切巷支護(hù)到工作面回采近1年的監(jiān)測(cè)結(jié)果看,U25型鋼改形錨索托盤(pán)變形量較小,達(dá)到了良好的護(hù)表效果,節(jié)約了煤礦的支護(hù)成本。5u型鋼改形錨索盤(pán)彎曲變形方程的數(shù)值模擬驗(yàn)證1)建立了U25型鋼改形錨索托盤(pán)數(shù)值模型,模擬分析了相同的均布