ZY6800/23/47液壓支架的力學和疲勞壽命分析

賈維維，孟海崗，周 俊，張少秋，姜仁坤 ，郝 玲，徐廷君

三一重型裝備裝有限公司，遼寧 沈陽 110027

煤礦用液壓支架是綜采工作面的支護設備，維持一定的工作空間，保證工人安全和各項作業的正常進行。其性能的好壞關系到綜采工作面的安全、生產效率和煤礦經濟效益。特別是安全性要求，直接關系到井下工作人員、設備及整個綜采工作面的安全。液壓支架的主要構件屬于復雜結構件，并且其工況復雜，長期承受變化的動態載荷，因此，疲勞是其主要的失效形式。如何準確評估其疲勞壽命一直是人們關注的焦點，疲勞分析法就是用來處理動應力及由此產生的破壞的基本方法。本文以 ZY6800/ 23/47型兩柱掩護式液壓支架為研究對象，利用MATLAB和 ANSYS Workbench 及 Fatigue 等分析軟件，對其應力、位移和疲勞壽命進行對比分析研究。

1 工況及載荷的確定

根據MT312《液壓支架通用技術條件》中壓架試驗標準，主體結構件強度試驗分13種工況。分別是：1）底座兩端加載；2）底座內側對稱加載；3）底座前扭轉加載；4）底座后扭轉加載；5）底座四角加載；6）底座外側對稱加載；7）底座對角加載；8）頂梁兩端加載；9）頂梁前扭轉加載；10）頂梁偏心載；11）頂梁后扭轉加載；12）頂梁對角加載；13）頂梁縱向中間加載。試驗方法為立柱內加載，除10頂梁偏心加載試驗壓力為1.1倍工作阻力，其余試驗壓力為1.2倍工作壓力。

2 有限元分析

圖1 應力圖

圖2 位移圖

應用ANSYS WORKBench仿真分析軟件對液壓支架13種工況進行力學分析，本文以工況 1 為例建立約束條件簡單說明。首先，在頂梁與掩護梁、掩護梁與前后連桿、前后連桿與底座間采用轉動副連接；其次，在頂梁上面和底座下面共創建 3個長方體來模擬墊塊，墊塊與頂梁、底座的接觸用contact 來約束；最后，使用固定副將墊塊與大地進行固定。圖1、圖2是其整體模型的受力分析結果。從圖1和土中可以看出對于底座兩端加載，墊塊處應力最大，可以不考慮，除底座的柱窩和耳板的弧線部位應力達到1000兆帕左右，其它部位均在材料的抗拉強度之內。從位移圖中可以看出底座固定，頂梁的位移比較大，符合試驗的要求，其位移范圍在允許值之內。

3 疲勞壽命分析

在疲勞壽命分析中有 2 個關鍵：一是要得到結構的動態應力，即應力-時間歷程；其次要有材料的疲勞壽命 S-N 曲線。本文利用MATLAB軟件，編譯了一個支架載荷譜生成器如圖4所示。可以根據實際需要生成不同的疲勞壽命S-N曲線，其結果可自動保存到”.dat”格式文件中，利用 ANSYS Workbench 中的 Fatigue 調入文件命令，直接把所需的曲線導入ANSYS Workbench直接進行支架的疲勞壽命分析。其分析結果如圖5所示。

圖3 支架載荷譜生成器

圖4 疲勞壽命圖

MATLAB軟件編譯的載荷生成器，操作簡單，圖形清楚，可很方便的與ANSYS Workbench結合使用，其結果與靜態應力分析結果比較，即可得到液壓支架底座兩端加載的應力時間歷程。

4 結論

利用 ANSYS Workbench和 MATLAB軟件聯合進行疲勞分析，為類似液壓支架這種工況復雜、承受復雜載荷的大型機械的疲勞壽命評估提供了新的嘗試。

分析得到了 ZY6800/ 23/ 47 型兩柱掩護式液壓支架的應力、位移疲勞壽命云圖，其結果對于設計和研發液壓支架具有一定的指導意義。

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