液壓支架偏心載荷作用下疲勞壽命的分析

胡彩霞

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

0 引言

我國大量的煤礦采用井工作業(yè)的方式生產，隨著采煤技術地不斷發(fā)展，綜合機械化采煤成為主要的開采方式，在綜采使用的設備中，液壓支架是進行工作面支護的重要設備，對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，大采高技術不斷發(fā)展應用，液壓支架的支護高度也隨之增加，液壓支架的載荷不斷提高，對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，液壓支架長期的工作中，液壓支架的承載復雜多變，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[3]。采用有限元仿真模擬的形式對液壓支架在偏心載荷作用下的疲勞壽命進行分析，確定其承載構件頂梁、底座的壽命時間，從而便于對液壓支架進行維護檢修，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件在周期性的載荷或隨機載荷的作用下，對液壓支架的結構件產生的破壞，首先會產生一些細小的裂紋[4]，隨著使用過程的繼續(xù)造成裂紋地不斷擴展，導致結構件產生塑性變形破壞。這種破壞與靜力學的失效不同，載荷是周期性或者隨機性的，液壓支架的疲勞破壞具有不可恢復性，且是瞬時性地斷裂發(fā)生[5]，具有較強的危險性。

液壓支架在工作面推進的過程中進行升架、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，底座同時作為主要的承載構件，結合底座的集中載荷作用對液壓支架的疲勞壽命進行分析[6]。采用名義應力法對液壓支架的疲勞壽命進行分析，依據(jù)材料的S-N 曲線進行液壓支架結構的分析，以應力集中系數(shù)及應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，進行液壓支架的疲勞壽命分析要對液壓支架進行建模，在靜力學分析的基礎上進行疲勞壽命分析。首先在頂梁的偏心載荷、底座集中載荷作用下進行液壓支架模型的建立，對液壓支架的結構進行一定地簡化處理，建立其三維結構模型[8]，并導入到ANSYS 中得到液壓支架的模型如圖2 所示。在ANSYS Workbench 中對液壓支架模型進行網(wǎng)格劃分處理，采用帶有的自動網(wǎng)格化分工具對液壓支架之類的復雜構件進行網(wǎng)格劃分處理，設定網(wǎng)格的大小為30 mm，控制網(wǎng)格的大小從而提高計算分析的精度[9]。在ANSYS Workbench 中設定液壓支架的材質為Q690高強度鋼，并據(jù)此設定材質參數(shù)，進行分析計算。

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，采用墊塊的形式對液壓支架進行加載，偏載工況是液壓支架受力較大的一種工況，此時液壓支架在循環(huán)作業(yè)過程中的沖擊載荷作用較強，對其疲勞壽命具有較高的要求[10]。在分析過程中設定液壓支架的材質為Q690 高強度鋼，限制液壓支架底座的自由度設定為固定約束，受到集中載荷的作用，頂梁、底座等作為整體焊接的結構件，看作各向同性均質分布結構，考慮應力集中系數(shù)的影響作用，依據(jù)機械設計手冊，同時考慮表面工藝及尺寸效應的影響[11]，設定液壓支架的疲勞強度因子為0.5，對液壓支架進行疲勞壽命分析。

2 液壓支架疲勞壽命仿真分析結果

在液壓支架分析模型中設定相應的參數(shù)值，并在結果計算中插入疲勞壽命的工具選項，經(jīng)過計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。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的集中效應，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，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)煤礦液壓支架的設計技術條件，液壓支架在不同的加載工況下應能按規(guī)定的次數(shù)進行循環(huán)加載測試，并且不發(fā)生疲勞破壞，疲勞壽命要大于耐久性測試的加載次數(shù)[12]。其中，在頂梁偏心載荷的工況下，對液壓支架進行耐久性測試，其加載次數(shù)應不小于2 000 次，由此可知，液壓支架的頂梁結構在長期作業(yè)過程中不能滿足該工況下的使用要求，需對液壓支架的頂梁結構進行一定的優(yōu)化，提高其疲勞強度。

對液壓支架的結構進行優(yōu)化提高其疲勞強度，應優(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，改善液壓支架的結構強度，且在強度較弱的部位，可以適當增加板厚或者改善筋板的材質，以提高頂梁連接筋板疲勞壽命。同時，在保證液壓支架整體結構使用功能的同時，可改變液壓支架的細小結構，從而改善連接筋板位置處的旖旎集中現(xiàn)象，從而通過較小的結構優(yōu)化，提高液壓支架的疲勞壽命。在實際進行液壓支架的加工使用中，對于焊縫要進行合理的控制，保證焊縫的質量，并對焊縫進行一定的打磨加工處理，從而避免焊縫的開裂脫落等對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 結語

液壓支架是進行煤礦自動化綜采的重要支護設備，對于煤礦的安全開采具有重要的作用。在井下復雜的環(huán)境中，液壓支架的長期使用受到?jīng)_擊及循環(huán)載荷的作用，隨著礦井開采支護高度地不斷提高，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液壓支架在偏心載荷及集中載荷作用下的疲勞壽命進行分析，建立液壓支架的靜力學分析模型，并依據(jù)材料的S-N 曲線進行液壓支架疲勞壽命的計算。結果顯示，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，應針對頂梁的最小壽命位置處進行一定的結構優(yōu)化設計，提高其疲勞壽命大于2 000 次，保證液壓支架的疲勞壽命，對煤礦的安全開采提供保障。