液壓支架偏心載荷作用下疲勞壽命的分析

胡彩霞

（晉能控股集團(tuán)裝備制造有限公司大同機(jī)電裝備中央機(jī)廠， 山西 大同 037001）

0 引言

我國(guó)大量的煤礦采用井工作業(yè)的方式生產(chǎn)，隨著采煤技術(shù)地不斷發(fā)展，綜合機(jī)械化采煤成為主要的開采方式，在綜采使用的設(shè)備中，液壓支架是進(jìn)行工作面支護(hù)的重要設(shè)備，對(duì)礦井的安全開采具有重要的影響作用[1]。在液壓支架的使用過程中，大采高技術(shù)不斷發(fā)展應(yīng)用，液壓支架的支護(hù)高度也隨之增加，液壓支架的載荷不斷提高，對(duì)液壓支架的承載能力及穩(wěn)定性具有較高的要求[2]。在井下惡劣的環(huán)境下，液壓支架長(zhǎng)期的工作中，液壓支架的承載復(fù)雜多變，且升降過程中受到一定地沖擊及交變載荷的作用，對(duì)液壓支架的疲勞壽命造成一定的影響，不利于礦井的安全生產(chǎn)[3]。采用有限元仿真模擬的形式對(duì)液壓支架在偏心載荷作用下的疲勞壽命進(jìn)行分析，確定其承載構(gòu)件頂梁、底座的壽命時(shí)間，從而便于對(duì)液壓支架進(jìn)行維護(hù)檢修，保證液壓支架的使用安全。

1 液壓支架建模

液壓支架的疲勞指承載構(gòu)件在周期性的載荷或隨機(jī)載荷的作用下，對(duì)液壓支架的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的破壞，首先會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)小的裂紋[4]，隨著使用過程的繼續(xù)造成裂紋地不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形破壞。這種破壞與靜力學(xué)的失效不同，載荷是周期性或者隨機(jī)性的，液壓支架的疲勞破壞具有不可恢復(fù)性，且是瞬時(shí)性地?cái)嗔寻l(fā)生[5]，具有較強(qiáng)的危險(xiǎn)性。

液壓支架在工作面推進(jìn)的過程中進(jìn)行升架、降架、推移等作業(yè)地循環(huán)，承受周期性的載荷變化，在偏心載荷作用下，頂梁受到的載荷工況惡劣，底座同時(shí)作為主要的承載構(gòu)件，結(jié)合底座的集中載荷作用對(duì)液壓支架的疲勞壽命進(jìn)行分析[6]。采用名義應(yīng)力法對(duì)液壓支架的疲勞壽命進(jìn)行分析，依據(jù)材料的S-N 曲線進(jìn)行液壓支架結(jié)構(gòu)的分析，以應(yīng)力集中系數(shù)及應(yīng)力值的大小作為參考得到液壓支架的疲勞壽命[7]。采用ANSYS Workbench 有限元分析軟件進(jìn)行液壓支架的疲勞壽命分析，其分析流程如圖1 所示。

圖1 液壓支架疲勞壽命分析流程

從圖1 中看到，進(jìn)行液壓支架的疲勞壽命分析要對(duì)液壓支架進(jìn)行建模，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞壽命分析。首先在頂梁的偏心載荷、底座集中載荷作用下進(jìn)行液壓支架模型的建立，對(duì)液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定地簡(jiǎn)化處理，建立其三維結(jié)構(gòu)模型[8]，并導(dǎo)入到ANSYS 中得到液壓支架的模型如圖2 所示。在ANSYS Workbench 中對(duì)液壓支架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，采用帶有的自動(dòng)網(wǎng)格化分工具對(duì)液壓支架之類的復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，設(shè)定網(wǎng)格的大小為30 mm，控制網(wǎng)格的大小從而提高計(jì)算分析的精度[9]。在ANSYS Workbench 中設(shè)定液壓支架的材質(zhì)為Q690高強(qiáng)度鋼，并據(jù)此設(shè)定材質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行分析計(jì)算。

圖2 液壓支架模型

依據(jù)液壓支架頂梁偏心載荷底座集中載荷作用，采用墊塊的形式對(duì)液壓支架進(jìn)行加載，偏載工況是液壓支架受力較大的一種工況，此時(shí)液壓支架在循環(huán)作業(yè)過程中的沖擊載荷作用較強(qiáng)，對(duì)其疲勞壽命具有較高的要求[10]。在分析過程中設(shè)定液壓支架的材質(zhì)為Q690 高強(qiáng)度鋼，限制液壓支架底座的自由度設(shè)定為固定約束，受到集中載荷的作用，頂梁、底座等作為整體焊接的結(jié)構(gòu)件，看作各向同性均質(zhì)分布結(jié)構(gòu)，考慮應(yīng)力集中系數(shù)的影響作用，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，同時(shí)考慮表面工藝及尺寸效應(yīng)的影響[11]，設(shè)定液壓支架的疲勞強(qiáng)度因子為0.5，對(duì)液壓支架進(jìn)行疲勞壽命分析。

2 液壓支架疲勞壽命仿真分析結(jié)果

在液壓支架分析模型中設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)值，并在結(jié)果計(jì)算中插入疲勞壽命的工具選項(xiàng)，經(jīng)過計(jì)算得到液壓支架頂梁及底座的疲勞壽命分布云圖如圖3、圖4 所示。從圖3 中可以看出，液壓支架的頂梁疲勞壽命最小為1 541 次，在頂梁中間位置的筋板連接處疲勞壽命最小，其他位置的疲勞壽命則在1×107次以上，具有明顯的疲勞壽命集中的特點(diǎn)。從圖4 中可以看出，底座的疲勞壽命最小為4 861 次，底座的疲勞壽命分布具有較強(qiáng)的集中效應(yīng)，在底座的連接耳座及墊塊加載的位置處疲勞壽命最小，而其他位置處的疲勞壽命則在1×107次以上，底座整體承受交變載荷的能力較強(qiáng)，不易發(fā)生疲勞破壞。

圖3 液壓支架頂梁疲勞壽命分布云圖

圖4 液壓支架底座疲勞壽命分布云圖

依據(jù)煤礦液壓支架的設(shè)計(jì)技術(shù)條件，液壓支架在不同的加載工況下應(yīng)能按規(guī)定的次數(shù)進(jìn)行循環(huán)加載測(cè)試，并且不發(fā)生疲勞破壞，疲勞壽命要大于耐久性測(cè)試的加載次數(shù)[12]。其中，在頂梁偏心載荷的工況下，對(duì)液壓支架進(jìn)行耐久性測(cè)試，其加載次數(shù)應(yīng)不小于2 000 次，由此可知，液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期作業(yè)過程中不能滿足該工況下的使用要求，需對(duì)液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，提高其疲勞強(qiáng)度。

對(duì)液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提高其疲勞強(qiáng)度，應(yīng)優(yōu)化頂梁與底座中筋板的布置位置，在保持液壓支架整體重量不變的條件下，改善液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且在強(qiáng)度較弱的部位，可以適當(dāng)增加板厚或者改善筋板的材質(zhì)，以提高頂梁連接筋板疲勞壽命。同時(shí)，在保證液壓支架整體結(jié)構(gòu)使用功能的同時(shí)，可改變液壓支架的細(xì)小結(jié)構(gòu)，從而改善連接筋板位置處的旖旎集中現(xiàn)象，從而通過較小的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高液壓支架的疲勞壽命。在實(shí)際進(jìn)行液壓支架的加工使用中，對(duì)于焊縫要進(jìn)行合理的控制，保證焊縫的質(zhì)量，并對(duì)焊縫進(jìn)行一定的打磨加工處理，從而避免焊縫的開裂脫落等對(duì)液壓支架疲勞壽命造成的影響，提高液壓支架的疲勞壽命。

3 結(jié)語

液壓支架是進(jìn)行煤礦自動(dòng)化綜采的重要支護(hù)設(shè)備，對(duì)于煤礦的安全開采具有重要的作用。在井下復(fù)雜的環(huán)境中，液壓支架的長(zhǎng)期使用受到?jīng)_擊及循環(huán)載荷的作用，隨著礦井開采支護(hù)高度地不斷提高，受到的載荷作用逐漸增加，液壓支架容易產(chǎn)生一定地疲勞破壞，影響煤礦的安全開采。采用ANSYS 有限元仿真分析的形式對(duì)液壓支架在偏心載荷及集中載荷作用下的疲勞壽命進(jìn)行分析，建立液壓支架的靜力學(xué)分析模型，并依據(jù)材料的S-N 曲線進(jìn)行液壓支架疲勞壽命的計(jì)算。結(jié)果顯示，液壓支架的頂梁及底座存在明顯的疲勞壽命集中現(xiàn)象，頂梁的最小疲勞壽命值為1 541 次，底座的最小疲勞壽命值為4 861 次，頂梁的疲勞壽命不滿足液壓支架的使用要求，應(yīng)針對(duì)頂梁的最小壽命位置處進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其疲勞壽命大于2 000 次，保證液壓支架的疲勞壽命，對(duì)煤礦的安全開采提供保障。