超靜定液壓支架疲勞壽命的仿真分析

李麗瓊

（大同煤礦集團設計研究有限責任公司， 山西 大同 037003）

引言

我國煤炭資源開采量巨大，厚煤層資源的開采量達到了總產量的一半左右，在厚煤層的開采方法中，由于大采高綜采的方式可以提高煤礦的生產能力、降低巷道布置和掘進的難度，并且可以獲得較高質量的原煤，使得大采高綜采技術成為進行厚煤層開采優選的方式。一次采全高開采可以提高煤炭的回收率，成為厚煤層開采的主要方法，但在開采過程中必須要有與之相配套的自動化設備，例如采煤機、刮板輸送機、液壓支架等。其中，液壓支架是重要的支護設備，需要具備優良的護頂功能[1]，是保證安全生產的重要條件。液壓支架的穩定性及壽命對于礦井的安全及一次采全高的實施具有決定性的影響。液壓支架在工作過程中，受到礦井的綜合作用，受力情況復雜，受到沖擊作用大，對液壓支架的壽命會產生一定的影響。針對穩定性較強的超靜定液壓支架進行壽命仿真分析，依據液壓支架的壽命分析對其結構進行一定的優化，保證液壓支架的使用壽命，提高煤礦生產的安全性。

1 液壓支架仿真模型的建立

采用ANSYS Workbench 進行液壓支架的疲勞壽命仿真分析，基本步驟如圖1 所示。在進行靜力學分析的基礎上，對液壓支架的載荷歷程進行添加，進行疲勞壽命的仿真。建立液壓支架的三維模型，由于液壓支架的結構較為復雜，在進行建模的過程中，要對液壓支架的結構進行一定的簡化處理[2]，保留液壓支架的主體部分。對液壓支架進行相應的假設處理，去除液壓支架頂梁護板及伸縮裝置、底座連接裝置及相應的連接孔、圓角等，有利于進行網格的劃分及仿真計算。液壓支架的承載構件由鋼板焊接而成，在進行建模過程中，對焊接結構進行一體化處理，每個部件作為一個整體進行建模，對于液壓支架安裝孔、軸之間的間隙不作考慮，有利于對模型進行裝配及運算處理。

圖1 液壓支架疲勞壽命分析流程

液壓支架的工作條件復雜，承受的載荷復雜多變，依據液壓支架的試驗標準，液壓支架頂梁和底座分別承受集中載荷和扭轉載荷的形式，并且頂梁存在著承受偏心加載的情況，依據組合工況的不同，分析液壓支架的承載，在頂梁承受偏心載荷、底座承受集中載荷的工況下，液壓支架的受力最大，對疲勞壽命影響最大[3]，對此種工況進行疲勞壽命分析。依據假設條件，建立液壓支架的模型如下頁圖2 所示。對所建立的模型，采用ANSYS Workbench 帶有的自由網格劃分對模型進行網格化處理，以控制單元格的大小，提高網格劃分的質量，提高計算分析的速度及準確性。

2 液壓支架疲勞壽命的分析

圖2 液壓支架模型

液壓支架在工作過程中的受力情況復雜多變，對液壓支架進行疲勞壽命分析，可以對液壓支架的壽命進行預測，對關鍵性的結構零件進行修整保養，提高液壓支架的安全性[4]，并且經過長時間的使用后，可以為液壓支架的報廢提供參考。在靜力學分析的基礎上對建立的模型進行疲勞壽命仿真分析，對液壓支架在不同階段對應的載荷最大值進行設置，并將文件導入歷程數據中。依據液壓支架零件的結構特征設置相應的疲勞強度因子，頂梁是液壓支架的支撐部件，采用整體焊接的結構，在承載過程中，對應力集中敏感，形狀影響因子為0.7；構件的尺寸依據設計手冊[5]確定尺寸效應的影響因子為0.9；頂梁的加工表面較大，表面加工工藝的影響因子為0.8；由此，對于頂梁構件的疲勞強度因子設定為0.5。對疲勞壽命的分析類型采用應力分析類型，在疲勞分析中采用疲勞壽命（life）工具進行求解，由此對模型進行加載求解。

通過ANSYS Workbench 的運算求解，將處理結果進行相應的后處理，即對頂梁的疲勞壽命進行輸出，得到頂梁的疲勞壽命云圖如圖3 所示，從圖3 中可以看出，在頂梁偏心載荷的工況下，頂梁結構的整體疲勞壽命值較大，頂梁的最小壽命位置出現在頂梁中間的筋板連接處，疲勞壽命最小值約為1 540次，在頂梁的連接耳板的位置處，疲勞壽命值也較小。依據液壓支架的設計要求，在偏心加載的情況下，對于液壓支架的加載次數要在2 000 次以上[6]，由此，該液壓支架的頂板位置處不符合設計要求，應對頂梁的結構進行改進，增加頂板的厚度或者改善頂板的材料，以此來延長頂梁的疲勞壽命。

通過ANSYS Workbench 的運算求解，得到底座的疲勞壽命云圖如圖4 所示，從圖4 中可以看出，在底座集中載荷的工況下，底座的整體疲勞壽命值較大，在底座耳板連接處的疲勞壽命出現最小值，最小值約為4 860 次，與頂梁的疲勞壽命分布不同，底座的整體疲勞壽命均處于較大值，表明底座的疲勞壽命較大，能夠承受一定的交變載荷，不會發生疲勞破壞的現象。

圖3 頂梁的疲勞壽命云圖

圖4 底座的疲勞壽命云圖

通過上述的分析可知，在頂梁偏心載荷、底座集中載荷的工況下，頂梁的疲勞壽命值較低，不能滿足設計要求，對于液壓支架的疲勞壽命造成影響。在設計生產中，要據此對液壓支架進行優化設計，在頂梁的結構中，適當增加頂板的厚度或者采用高強度的材料，提高結構強度，在各零件相互之間的連接處，對耳板等結構采用較高強度的材料，避免擠壓造成的疲勞壽命較低；另外，在液壓支架的整體結構改進的基礎上，對于液壓支架的細小結構避免出現應力集中的現象，采用圓角結構，對焊縫進行合理的處理或進行表面加工，提高焊縫的表面質量，降低其對液壓支架疲勞壽命的影響。

3 結語

液壓支架是進行煤礦綜采的重要設備，對煤礦的安全生產具有重要的作用，液壓支架的受力情況復雜多變，對液壓支架的壽命造成影響。通過對液壓支架的疲勞壽命分析，結果顯示，在頂梁偏心載荷、底座集中載荷的工況下，頂梁的疲勞壽命值較低，不能滿足設計要求，影響液壓支架的疲勞壽命，需要對液壓支架的結構進行相應的優化設計，提高頂板的結構強度，并采用高強度的材料對連接處的結構進行優化，延長連接結構的疲勞壽命。對于液壓支架的細小結構及焊縫處，要進行相應的優化，為避免應力集中的現象，應提高焊接工藝并對焊縫進行表面處理，延長液壓支架的疲勞壽命，保證煤礦的安全生產。