地下無軌采礦設備結構優(yōu)化設計

寇鵬德

（武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000）

由于地下無軌采礦設備通常情況下在露天場地使用，具有高頻率作業(yè)、現場振動大以及容易受周圍強電磁干擾的特點，極易造成不穩(wěn)定故障的出現[1]。隨著當下對礦產資源需求量的提升，采礦工作開始進入掠奪式階段，傳統地下無軌采礦設備已經無法滿足地下無軌采礦的現實需求，導致地下無軌采礦設備結構設計面臨的挑戰(zhàn)越來越大[2]。因此，在本文進行的地下無軌采礦設備結構優(yōu)化設計中，必須對采礦設備的使用工況以及受力特點進行分析，明確采礦設備橫梁承受對稱載荷以及橫梁受力，在此基礎上，對腹板進行加固。考慮到地下無軌采礦設備中的平衡梁是結構最為復雜的關鍵部件，必須結合采礦設備橫梁及其附件之間的約束關系，利用有限元分析、施加載荷及約束、網格劃分、靜態(tài)應力分析以及疲勞分析，綜合分析地下無軌采礦設備出現安全隱患的具體原因。在明確采礦設備形成安全隱患具體原因的基礎上，通過簡化繼電器線路以及加固腹板，致力于從根本上提高地下無軌采礦設備的質量。

1 地下無軌采礦設備結構優(yōu)化設計

1.1 地下無軌采礦設備結構簡化

在簡化地下無軌采礦設備結構的過程中，首先，分析地下無軌采礦設備的PLC功能結構，其中主要包括：油泵啟停、旋鎖開閉以及不同尺之間的轉換。針對地下無軌采礦設備線路輸入及輸出點的情況進行梳理，利用點對點的控制方式，對采礦設備結構進行有效簡化。本文對地下無軌采礦設備結構簡化的具體方式為：對電磁閥動作以及油泵電機進行控制，從而在根本上減少電纜線芯的使用次數。簡化后的地下無軌采礦設備結構可通過下達地下無軌采礦設備油泵啟動、旋鎖指令以及20尺與40尺之間的轉換指令，直接在OFDT TENFHS SP20TMPV主SP40REQ程序中設置指令鎖存以及到位切除指令[3]。可以將地下無軌采礦設備結構簡化的SP60-1S指令看做一個脈沖，因此只需要FT20CND以及FT40CND在OFDT TENFHS SP20TMPV中進行類似指令即可完成20尺與40尺之間的轉換，從而實現地下無軌采礦設備線路結構的簡化。簡化完成的地下無軌采礦設備結構由于減少了電纜線芯的使用次數，能夠降低采礦設備結構不穩(wěn)定出現故障的幾率，完成采礦設備的結構簡化設計。

1.2 地下無軌采礦設備結構加固

為解決采礦設備在地下無軌采礦投入使用過程中，在整體結構中的上蓋板端頭與腹板焊縫處很容易出現裂紋的問題，本文采用設備結構加固設計的方法，提升采礦設備結構的安全性能。可以通過在腹板末端延長10mm的位置切割出寬度為10mm的缺口，并開坡口，在接長部分內側加襯墊進行焊接，從而確保設備結構加固質量。設備結構加固時所需的加熱溫度可用點溫度儀測定，或根據鋼板顏色來進行判斷，700℃～800℃的鋼板呈櫻桃紅色。設備結構加固示意圖，如圖1所示。

圖1 設備結構加固示意圖

通過圖1可知，在地下無軌采礦設備結構加固過程中，必須準備4塊ACQ446C的鋼板、2塊ACQ345C的鋼板，分別加固在設備結構的焊接處開坡口。通過對結構進行整體加固，設備在進行地下無軌采礦時結構所受最大應力必然增加，可以近似材料的屈服極限。一旦發(fā)現地下無軌采礦設備結構出現凹陷部位，必須第一時間對凹陷部位進行矯正。具體校正方法可通過將中間帶有圓孔的鋼板焊在凹部拉出。為得到不同工況下的地下無軌采礦設備結構強度應力校核，明確影響地下無軌采礦設備結構硬度的重要指標。通過為降低地下無軌采礦設備的溫度，避免由于溫度過熱影響地下無軌采礦設備結構強度。在本文設計的地下無軌采礦設備結構優(yōu)化中，在腹板前添加了隔熱板，并且在每根管子的前端設置防護套管。這樣一來，與傳統地下無軌采礦設備結構相比，設計地下無軌采礦設備結構外環(huán)與殼程、管程的筒體短節(jié)做成一體，其周邊與筒體短節(jié)均采用較大的轉角過渡，外環(huán)與內環(huán)采用平滑的對接焊。通過這種方法設計的地下無軌采礦設備結構，與殼體連接的周邊具有較大的柔性，能夠綜合改善地下無軌采礦設備結構的受力狀況。考慮到強度應力校核過程中地下無軌采礦設備結構間有溫差情況下所承受的壓力和溫度差均較大。因此，本文優(yōu)化的地下無軌采礦設備結構采用薄管板，定義管板長、管板寬、管板厚度為設計變量，為了使參數變化時能夠合理的建立出來，限定這些參數在合理的范圍內。本文在地下無軌采礦設備結構VB選擇框中，進行機械應力分析，然后設定管、殼程壓力即可生成七種工況的宏文件，運行該文件求解完成后進入Design Opt模塊設定變量。在優(yōu)化分析中，定義應力中的最大應力SMAX為狀態(tài)變量，使其最大應力必須要滿足地下無軌采礦設備結構抗拉強度的要求。

2 對比實驗

2.1 實驗準備

根據上述對地下無軌采礦設備結構的優(yōu)化設計，進行仿真實驗。本次實驗內容為測試兩種采礦設備的最大承受應力。最大承受應力作為衡量采礦設備結構質量的關鍵指標，可借此判定采礦設備運行的可靠性能。本文實驗采用Workbench仿真軟件求得兩者的最大承受應力，分別使用傳統地下無軌采礦設備以及本文優(yōu)化設計后的地下無軌采礦設備進行對比實驗，設置傳統的采礦設備為實驗對照組。共選取5個測試點位進行實驗，從而評定最大承受應力更高，強度性能更好的地下無軌采礦設備。

2.2 實驗結果分析與結論

根據上述設計的實驗步驟，采集5個測試點的實驗數據，將兩種采礦設備的最大承受應力進行對比，最大承受應力對比結果，如下圖2所示。

圖2 最大承受應力對比圖

通過圖2可得出如下的結論：本文優(yōu)化設計的采礦設備最大承受應力最高可達285.42Mpa，實驗對照組最高僅為161.23Mpa，設計的采礦設備最大承受應力始終高于實驗對照組，可以實現對地下無軌采礦設備結構優(yōu)化。通過驗證結果證明，所優(yōu)化設計的地下無軌采礦設備其最大承受應力可以滿足優(yōu)化設計總體要求，可以廣泛應用于地下無軌采礦工作中。

3 結語

地下無軌采礦設備由于在地下無軌采礦中長時間工作的原因容易產生扭曲變形，對其自身安全性能存在威脅。由于在加工好焊接前沒有徹底消除內應力，經焊接成腹板后內應力疊加，從而產生波浪變形。因此，對地下無軌采礦設備結構優(yōu)化設計是針對地下無軌采礦設備進行保護的最實用和最可靠的方法。地下無軌采礦設備的安全性能無論是對于采礦企業(yè)還是工作人員都很重要，針對采礦設備繼電器線路簡化以及腹板加固可以大幅度提高采礦設備安全質量。通過以上進行的優(yōu)化設計，希望能夠為確保地下無軌采礦設備安全方面提供學術意義。