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(shè)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(chǎn)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(chǎn)能力、降低巷道布置和掘進的難度，并且可以獲得較高質(zhì)量的原煤，使得大采高綜采技術(shù)成為進行厚煤層開采優(yōu)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(shè)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(shè)備，需要具備優(yōu)良的護頂功能[1]，是保證安全生產(chǎn)的重要條件。液壓支架的穩(wěn)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?jīng)_擊作用大，對液壓支架的壽命會產(chǎn)生一定的影響。針對穩(wěn)定性較強的超靜定液壓支架進行壽命仿真分析，依據(jù)液壓支架的壽命分析對其結(jié)構(gòu)進行一定的優(yōu)化，保證液壓支架的使用壽命，提高煤礦生產(chǎn)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(chǔ)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(jié)構(gòu)較為復雜，在進行建模的過程中，要對液壓支架的結(jié)構(gòu)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(yīng)的假設(shè)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(yīng)的連接孔、圓角等，有利于進行網(wǎng)格的劃分及仿真計算。液壓支架的承載構(gòu)件由鋼板焊接而成，在進行建模過程中，對焊接結(jié)構(gòu)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(jù)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(zhuǎn)載荷的形式，并且頂梁存在著承受偏心加載的情況，依據(jù)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(jù)假設(shè)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(wǎng)格劃分對模型進行網(wǎng)格化處理，以控制單元格的大小，提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)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(yù)測，對關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)零件進行修整保養(yǎng)，提高液壓支架的安全性[4]，并且經(jīng)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(chǔ)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(yīng)的載荷最大值進行設(shè)置，并將文件導入歷程數(shù)據(jù)中。依據(jù)液壓支架零件的結(jié)構(gòu)特征設(shè)置相應(yīng)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(jié)構(gòu)，在承載過程中，對應(yīng)力集中敏感，形狀影響因子為0.7；構(gòu)件的尺寸依據(jù)設(shè)計手冊[5]確定尺寸效應(yīng)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(gòu)件的疲勞強度因子設(shè)定為0.5。對疲勞壽命的分析類型采用應(yīng)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(jié)果進行相應(yīng)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(jié)構(gòu)的整體疲勞壽命值較大，頂梁的最小壽命位置出現(xiàn)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(jù)液壓支架的設(shè)計要求，在偏心加載的情況下，對于液壓支架的加載次數(shù)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(shè)計要求，應(yīng)對頂梁的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(fā)生疲勞破壞的現(xiàn)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(shè)計要求，對于液壓支架的疲勞壽命造成影響。在設(shè)計生產(chǎn)中，要據(jù)此對液壓支架進行優(yōu)化設(shè)計，在頂梁的結(jié)構(gòu)中，適當增加頂板的厚度或者采用高強度的材料，提高結(jié)構(gòu)強度，在各零件相互之間的連接處，對耳板等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)改進的基礎(chǔ)上，對于液壓支架的細小結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用圓角結(jié)構(gòu)，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(zhì)量，降低其對液壓支架疲勞壽命的影響。

3 結(jié)語

液壓支架是進行煤礦綜采的重要設(shè)備，對煤礦的安全生產(chǎn)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(jié)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(shè)計要求，影響液壓支架的疲勞壽命，需要對液壓支架的結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，提高頂板的結(jié)構(gòu)強度，并采用高強度的材料對連接處的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，延長連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。對于液壓支架的細小結(jié)構(gòu)及焊縫處，要進行相應(yīng)的優(yōu)化，為避免應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)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(chǎn)。