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錨桿托盤支護(hù)是煤礦掘進(jìn)巷道支護(hù)中常用的方法之一，由于受頂板圍巖類型及其受力狀況、錨桿選型與規(guī)格及巷道斷面等因素的影響，合理設(shè)計(jì)托盤結(jié)構(gòu)、選用托盤用材料是支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵所在，對(duì)井下的人員安全有著至關(guān)重要的作用，所以需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度分析。
隨著煤礦深部開采的推進(jìn)，支護(hù)材料面臨強(qiáng)度升級(jí)，錨桿桿體在其直徑不變的情況下材料由原來的MG335升級(jí)到MG500。根據(jù)MT146. 2-2011《樹脂錨桿》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，錨桿托盤的承載力不小于與之配套的桿體屈服力標(biāo)準(zhǔn)值的1.3倍，所以錨桿托盤也面臨強(qiáng)度升級(jí)的問題。因而，提升現(xiàn)有托盤的Q235材質(zhì)為Q345，材料的屈服強(qiáng)度提高、塑性保持不變。在滿足使用要求的前提下，由于強(qiáng)度增加的幅度較大，可以把錨桿托盤的厚度下降。利用ANSYS軟件自帶的優(yōu)化分析模塊對(duì)錨桿托盤進(jìn)行了優(yōu)化分析。分析得到在托盤厚度達(dá)到8.186 mm時(shí)，托盤圓環(huán)處最大應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度值為345 MPa。保守估計(jì)，托盤屈服強(qiáng)度設(shè)定為320 MPa時(shí)，托盤厚度將達(dá)到8.516 mm。目前國內(nèi)礦井錨桿托盤最大厚度保持在12 mm，為此將通過有限元分析研究，在滿足承載強(qiáng)度的條件下，驗(yàn)證厚度降為8mm的結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。
將托盤三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS中去，并對(duì)其選擇solid186單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分獲得如圖所示的有限元模型。solid186具有任意的空間各向異性，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化·變形和大應(yīng)變能力。
錨桿托盤升級(jí)前所使用材料Q235普通碳鋼，其楊氏模型為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為375-500 MPa，改進(jìn)后錨桿托盤材料Q345低合金鋼，其抗拉強(qiáng)度達(dá)490-675 MPa。Q345具有良好的綜合力學(xué)性能，塑性和焊接性良好，可廣泛用于承受動(dòng)荷的結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件等。雖然Q345的價(jià)格比Q235稍貴點(diǎn)，但因其高強(qiáng)度，可從改變結(jié)構(gòu)尺寸的角度降低材料的消耗，從而實(shí)現(xiàn)降低成本。
錨桿托盤起到擴(kuò)大支撐巷道圍巖面積的作用，在底板上端壓力過大時(shí)，會(huì)將錨桿托盤的底板擠壓變形，應(yīng)力集中在錨桿托盤圓環(huán)處。對(duì)錨桿托盤的強(qiáng)度研究，注重其圓環(huán)處的應(yīng)力強(qiáng)度大小，看其圓環(huán)處應(yīng)力強(qiáng)度是否超出材料的屈服強(qiáng)度。對(duì)于10mm厚度的錨桿托盤強(qiáng)度分析獲得其圓環(huán)處的最大應(yīng)力強(qiáng)度為231 MPa，滿足強(qiáng)度要求。現(xiàn)將錨桿托盤的厚度降為8mm厚度，再研究其強(qiáng)度大小。對(duì)錨桿托盤進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)，采用2000千克壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)8 mm厚度的錨桿托盤進(jìn)行壓力測(cè)試，檢驗(yàn)托盤樣本的實(shí)用性能。
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