用于巷道支護(hù)錨索切斷機(jī)機(jī)體疲勞強(qiáng)度分析*

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）

0 引言

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]。

1 錨索切斷機(jī)機(jī)體力學(xué)參數(shù)

1.1錨索參數(shù)

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

1.2等效切斷力

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

2 錨索切斷機(jī)機(jī)體有限元分析

2.1 機(jī)體三維幾何模型

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

2.2 定義材料屬性及載荷條件

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

2.3 靜力學(xué)分析

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

2.4 機(jī)體疲勞分析

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

3結(jié)束語(yǔ)

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)。