康鵬桂,彭善飛,張 科
(1.青島理工大學(xué)琴島學(xué)院機(jī)電工程系,山東青島 266091;2.中車集團(tuán)青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東青島 266111;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010)
錨索支護(hù)是通過(guò)對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力來(lái)加固和改善巖土內(nèi)部應(yīng)力情況,可對(duì)巖土深部進(jìn)行加固,目前錨桿錨索協(xié)同支護(hù)的方式在煤炭生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,在巷道支護(hù)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。不同的巷道支護(hù)對(duì)錨索長(zhǎng)度要求不一樣,需要根據(jù)實(shí)際工況需求的長(zhǎng)度尺寸對(duì)錨索進(jìn)行切割,傳統(tǒng)切割方式是人工采用無(wú)齒鋸下料,不足之處是無(wú)法保證定長(zhǎng)精度,故錨索切割機(jī)是施工自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。錨索切斷機(jī)機(jī)體[2]是錨索切斷機(jī)的關(guān)鍵部件之一,錨索切斷機(jī)在高頻切斷錨索過(guò)程中,機(jī)體和錨索之間接觸產(chǎn)生的剪切力和沖擊力直接作用于機(jī)體上,因此,錨索切斷機(jī)機(jī)體的強(qiáng)度與疲勞壽命直接影響設(shè)備的加工效率和精度[3]。本文基于ANSYS Workbench對(duì)錨索切斷機(jī)機(jī)體進(jìn)行靜力學(xué)與疲勞強(qiáng)度分析[4],為下一步的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)[5-8]。
錨索一般由錨梁、自由段、錨固段和安全段4個(gè)部分組成,由φ15.24 mm和φ12.7 mm的高強(qiáng)度、低松弛、無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的鋼絞線組成,包括無(wú)黏結(jié)專用油脂、PC鋼絞線和高壓聚乙烯外皮,其截面結(jié)構(gòu)如圖1所示,錨索長(zhǎng)度范圍為20~50 m,定長(zhǎng)誤差為±1 mm。
圖1 錨索截面結(jié)構(gòu)圖
機(jī)座上的切斷刀對(duì)錨索的最大等效切斷力,如式(1)所示:
式中:K1為切刀切斷力增大系數(shù),取K1=1.3;K2為錨索抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值,取K2=0.6;σb為錨索極限抗拉強(qiáng)度,錨索材質(zhì)為45號(hào)鋼,σb=600 MPa;A為錨索等效截面面積。
將上述數(shù)值代入式(1)中,可得:
Fmax=1.05 kN
通過(guò)UG計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)錨索切斷機(jī)機(jī)體進(jìn)行三維建模。錨索切斷機(jī)的機(jī)體模型如圖2所示。
圖2 錨索切斷機(jī)的機(jī)體模型
錨索切斷機(jī)機(jī)體的材料為QT500-7。定義機(jī)體有限元模型的材料屬性,包括彈性模量、材料密度及泊松比等參數(shù),具體的材料力學(xué)性能如表1所示。
表1 材料QT500-7的力學(xué)性能
錨索切斷機(jī)機(jī)體通過(guò)機(jī)體固定座安裝在前面板上,上、下動(dòng)刀通過(guò)滑軌分別固定在液壓缸活塞桿上,實(shí)現(xiàn)對(duì)錨索的循環(huán)切斷,如圖3、圖4所示。機(jī)體的支撐端面處添加固定約束,在機(jī)體上、下動(dòng)刀的法向安裝面上施加循環(huán)載荷,載荷數(shù)值為式(1)計(jì)算得出的最大等效切斷力,載荷步列表如表2所示。
圖3 錨索切斷機(jī)結(jié)構(gòu)正面模型圖
圖4 錨索切斷機(jī)結(jié)構(gòu)背面模型圖
將錨索切斷機(jī)的機(jī)體模型導(dǎo)入至有限元分析軟件中,對(duì)機(jī)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,考慮到機(jī)體為不規(guī)則實(shí)體,因此對(duì)機(jī)體模型采用整體自由網(wǎng)格劃分,機(jī)體有限元網(wǎng)格劃分如圖5所示,劃分出15 285個(gè)節(jié)點(diǎn),8 502個(gè)單元。機(jī)體網(wǎng)格劃分后,在ANSYS Workbench Detial of mesh中選擇statistic模塊,mesh metric包含 Min:0.144 99,Max:0.998 96,Average:0.817 81,Standard Deviation:0.141 13。一般情況下,網(wǎng)格劃分平均質(zhì)量高于0.7代表劃分的網(wǎng)格可以使用,機(jī)體網(wǎng)格劃分的平均質(zhì)量達(dá)到了0.817 81,因此機(jī)體劃分網(wǎng)格質(zhì)量良好。針對(duì)機(jī)體進(jìn)行靜力載荷有限元分析,將機(jī)體支撐端面設(shè)為固定約束,在添加約束和載荷后進(jìn)行求解。
表2 載荷步列表
機(jī)體的應(yīng)力云圖如圖6所示。圖中:機(jī)體的最大應(yīng)力為3.3 MPa,出現(xiàn)在上、下動(dòng)刀和錨索接觸斷面處,小于材料的屈服強(qiáng)度235 MPa,所以機(jī)體滿足強(qiáng)度要求,分析結(jié)果與理論計(jì)算值基本吻合。機(jī)體的應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。圖中機(jī)體的最大應(yīng)變?yōu)?.66×10-8m,出現(xiàn)在錨索切斷機(jī)機(jī)體虎口斷面處。
圖5 機(jī)體網(wǎng)格劃分圖
圖6 機(jī)體的應(yīng)力云圖
圖7 機(jī)體的應(yīng)變?cè)茍D
圖8 機(jī)體的安全系數(shù)云圖
疲勞分析屬于線性靜態(tài)分析,基本流程與線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析相同,但是在分析時(shí)需要添加機(jī)體材料的疲勞屬性,并在輸出結(jié)果時(shí)設(shè)置相應(yīng)的疲勞求解項(xiàng)目。取上文得到的靜力學(xué)強(qiáng)度分析參數(shù),進(jìn)入有限元軟件后處理器,輸出相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,在后處理器中定義載荷和循環(huán)材料特性,根據(jù)疲勞準(zhǔn)則對(duì)機(jī)體材料進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算,應(yīng)用ANSYS Workbench后處理Fatigue模塊對(duì)機(jī)體進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算分析。機(jī)體的安全系數(shù)云圖如圖8所示。圖中:機(jī)體結(jié)構(gòu)失效應(yīng)力和設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值,最小安全系數(shù)為0.018 148,出現(xiàn)在機(jī)體中心圓弧處,其余安全系數(shù)都在2以上,均在塑性材料安全設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。
機(jī)體的壽命云圖如圖9所示。圖中:機(jī)體因疲勞作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的循環(huán)次數(shù),參考QT500-7材料S-N曲線[8],材料的最大壽命為106,可以等效為材料的無(wú)限壽命,機(jī)體的壽命云圖分析結(jié)果均為106,所以機(jī)體不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞破壞。機(jī)體的損傷云圖如圖10所示。圖中:機(jī)體設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值,機(jī)體整個(gè)構(gòu)件的數(shù)值均在1以下,所以不會(huì)發(fā)生疲勞損傷。
圖9 機(jī)體的壽命云圖
圖10 機(jī)體的損傷云圖
本研究將錨索切斷機(jī)機(jī)體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行靜力學(xué)和疲勞分析,得到機(jī)體的最大應(yīng)力為3.3 MPa,機(jī)體的最大應(yīng)變?yōu)?.66×10-8m,最小安全系數(shù)為0.018148,機(jī)體的壽命云圖分析結(jié)果均為106,機(jī)體整個(gè)構(gòu)件的數(shù)值均在1以下。得出結(jié)論:(1)對(duì)錨索切斷機(jī)機(jī)體進(jìn)行靜力學(xué)分析,驗(yàn)證了力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果,為后續(xù)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考;(2)對(duì)錨索切斷機(jī)機(jī)體進(jìn)行疲勞分析,得出了機(jī)體安全系數(shù)云圖、壽命云圖和損傷云圖,為后續(xù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化打下理論基礎(chǔ)。