新型U型梯子梁設計及應用前景分析

閆汝山，劉杰輝

(河北工程大學機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

煤礦開采過程中，梯子梁被用來支撐礦井巷道頂部，以達到加固巷巖體的作用。梯子梁在各個礦井中使用非常普遍且用量巨大。作為煤礦生產行業重要的安全設施之一，梯子梁的安全性至關重要。焊接是梯子梁生產中必不可少的步驟，傳統礦用梯子梁失效形式主要是焊接部位出現疲勞變形。傳統梯子梁焊接部位為環形，焊接工藝復雜，焊接缺陷多，易出現疲勞失效。本文設計出一種新型U型梯子梁，并對其中φ 14 mm圓鋼、長度900 mm的新型U型梯子梁進行有限元分析。

1 人工焊接的缺點分析

礦用金屬梯子梁主要用于錨桿支護、煤巷掘進以及隧道加固等[1-2]，應用廣泛、需求量大，目前國內礦用梯子梁的焊接基本依靠人工焊接。但人工焊接生產效率低，勞動強度大，難以保證煤礦的生產需要；受焊工技能的影響，產品質量一致性差，殘次品多，質量不穩定。人工焊接產品容易出現諸如漏焊、毛刺、夾渣等外觀缺陷和焊接疏松、氣孔、裂紋等制造缺陷[3-4]。外觀缺陷影響產品銷路，而制造缺陷存在潛在的安全隱患。解決這些制造問題，根本就是防止生產者勞動過程中的操作不當，但由于技術水平、心態情緒、生產責任等因素制約，人工焊接較難解決。

人工焊接對焊接工人的身體健康有很大影響。人工焊接存在有毒煙霧、強光刺激、低溫烘烤以及長時間保持各種姿勢等問題[5]，容易對工作人員身體產生一定的危害。現在大量制造企業缺少操作工人，愿意從事焊接的工人更少，技術嫻熟的焊接工人就更難招聘。

人工焊接生產中材料及能源的消耗也較難掌控，加上較高的殘次品率及較高的人員工資，使得人工焊接的生產成本居高不下。

2 新型梯子梁的優點

傳統的梯子梁以2個平行放置的長鋼筋為梁，梁之間焊接若干個垂直放置的短、直鋼筋支撐肋[6]。與傳統梯子梁不同，本文設計的U型礦用梯子梁由2個并列的梁和連接2個梁的若干個U形肋構成。實際生產中，U形肋由1根鋼筋機器折彎而成，2根并列的長鋼筋與U形肋的兩側邊焊接，整體上呈現出封閉結構，如圖1所示。

圖1 新型梯子梁三維結構圖

傳統梯子梁內部結構為垂直交錯的直鋼筋點焊焊接而成。與傳統梯子梁相比，新型U型梯子梁具有以下優點：焊接部位為直線形，焊接操作過程簡單；U型部位與兩側的梁接觸面積大，焊接緊固性好；正反兩面共計4個焊道，焊接位置少，單件生產工時短，生產效率高。

3 新型梯子梁的有限元分析

由于礦下環境復雜，梯子梁在實際生產中會有多種型號來適應環境需求。本文對φ 14 mm圓鋼、長度900 mm新型U型梯子梁焊接過程進行位移、殘余應力進行分析，分析結果如下。

3.1 焊接位移結果分析

圖2是梯子梁冷卻至外界環境溫度后的位移云圖。由于焊接時存在先后順序，所以在焊接結束后梯子梁兩側位移的變化并不是關于x方向的完全對稱。

圖2 梯子梁位移云圖

從云圖上可以明顯看出，梯子梁整體位移梯度變化平滑，在焊接附近區域，位移最小；距離焊接區域越遠位移越大，最大位移出現在梯子梁的兩端，最大位移為0.14 mm。

圖3是梯子梁焊接過程中最大位移隨時間的變化曲線，曲線出現4個波峰，對應4個焊縫完成時的位移，其中最大位移出現在第1個焊縫完成時，位移量達到了2.9 mm，這是由于在進行第1道焊縫的焊接作業時，由于U形肋與梁的約束幾乎不存在，焊接時梯子梁最容易受到影響而產生變形。

圖3 梯子梁焊接過程位移變化曲線

第2道焊縫完成后，幾何位置的對稱性決定了第2道焊縫產生的位移與第1道相反，并且由于第1道焊縫的約束，所以明顯可以看出在第2道焊縫完成后梯子梁最大位移反而會有明顯下降。

進行第3道焊縫時，雖然產生的位移影響與第1道焊縫方向相同，但是由于前2道焊縫已經完成，U形肋與梁的約束變多，此時的最大位移峰值不會超過2.9 mm。同理，第4道焊縫完成后最大位移也會稍微降低。

3.2 焊接殘余應力分析

圖4是梯子梁的應力云圖。從云圖上看，x軸方向上梯子梁整體應力幾乎相同。焊接完成后，梯子梁冷卻至外界環境溫度，梯子梁最大殘余應力為116.55 MPa。U形肋的兩側殘余應力幾乎相同，最大殘余應力的出現主要是U形肋與梁的連接區域是焊接熱的集中區域。焊接前后的溫度梯度較大，所以在焊接后應力主要集中在相切的區域。從幾何結構上看，由于焊接上下存在對稱性，殘余應力的分布也幾乎是對稱的。

圖4 梯子梁殘余應力云圖

圖5是梯子梁在x方向上的應力分布曲線，最大應力出現在475 mm處，這是由于U形肋的底部有一個彎曲，在450 mm附近應力不是對稱分布，導致肋的開口方向上應力比底部彎曲處要大。在遠離焊接中心的區域，應力的分布基本對稱。

圖5 x軸方向上應力分布曲線

4 結論

本文借助ANSYS有限元軟件對φ 14 mm圓鋼、900 mm長度新型U型梯子梁焊接過程進行了數值模擬，在此基礎上對梯子梁的位移、殘余應力進行了全面分析。對新型U型梯子梁的實際生產具有一定的指導意義。

1)U形肋焊接第1道焊縫時，由于約束最少，產生的變形量最大，所以焊接時應保證U型肋與梁之間的約束關系，焊接前可以采用點焊固定位置。

2)梯子梁的位移變化并不是完全對稱，最大位移出現在靠近最后一道焊縫側。

3)新型梯子梁的安全性符合煤礦井下作業要求，可以進行生產線的開發研究。