ZY6800/23/47液壓支架的力學(xué)和疲勞壽命分析

賈維維，孟海崗，周 俊，張少秋，姜仁坤 ，郝 玲，徐廷君

三一重型裝備裝有限公司，遼寧 沈陽 110027

煤礦用液壓支架是綜采工作面的支護(hù)設(shè)備，維持一定的工作空間，保證工人安全和各項(xiàng)作業(yè)的正常進(jìn)行。其性能的好壞關(guān)系到綜采工作面的安全、生產(chǎn)效率和煤礦經(jīng)濟(jì)效益。特別是安全性要求，直接關(guān)系到井下工作人員、設(shè)備及整個(gè)綜采工作面的安全。液壓支架的主要構(gòu)件屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，并且其工況復(fù)雜，長(zhǎng)期承受變化的動(dòng)態(tài)載荷，因此，疲勞是其主要的失效形式。如何準(zhǔn)確評(píng)估其疲勞壽命一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，疲勞分析法就是用來處理動(dòng)應(yīng)力及由此產(chǎn)生的破壞的基本方法。本文以 ZY6800/ 23/47型兩柱掩護(hù)式液壓支架為研究對(duì)象，利用MATLAB和 ANSYS Workbench 及 Fatigue 等分析軟件，對(duì)其應(yīng)力、位移和疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比分析研究。

1 工況及載荷的確定

根據(jù)MT312《液壓支架通用技術(shù)條件》中壓架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，主體結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度試驗(yàn)分13種工況。分別是：1）底座兩端加載；2）底座內(nèi)側(cè)對(duì)稱加載；3）底座前扭轉(zhuǎn)加載；4）底座后扭轉(zhuǎn)加載；5）底座四角加載；6）底座外側(cè)對(duì)稱加載；7）底座對(duì)角加載；8）頂梁兩端加載；9）頂梁前扭轉(zhuǎn)加載；10）頂梁偏心載；11）頂梁后扭轉(zhuǎn)加載；12）頂梁對(duì)角加載；13）頂梁縱向中間加載。試驗(yàn)方法為立柱內(nèi)加載，除10頂梁偏心加載試驗(yàn)壓力為1.1倍工作阻力，其余試驗(yàn)壓力為1.2倍工作壓力。

2 有限元分析

圖1 應(yīng)力圖

圖2 位移圖

應(yīng)用ANSYS WORKBench仿真分析軟件對(duì)液壓支架13種工況進(jìn)行力學(xué)分析，本文以工況 1 為例建立約束條件簡(jiǎn)單說明。首先，在頂梁與掩護(hù)梁、掩護(hù)梁與前后連桿、前后連桿與底座間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；其次，在頂梁上面和底座下面共創(chuàng)建 3個(gè)長(zhǎng)方體來模擬墊塊，墊塊與頂梁、底座的接觸用contact 來約束；最后，使用固定副將墊塊與大地進(jìn)行固定。圖1、圖2是其整體模型的受力分析結(jié)果。從圖1和土中可以看出對(duì)于底座兩端加載，墊塊處應(yīng)力最大，可以不考慮，除底座的柱窩和耳板的弧線部位應(yīng)力達(dá)到1000兆帕左右，其它部位均在材料的抗拉強(qiáng)度之內(nèi)。從位移圖中可以看出底座固定，頂梁的位移比較大，符合試驗(yàn)的要求，其位移范圍在允許值之內(nèi)。

3 疲勞壽命分析

在疲勞壽命分析中有 2 個(gè)關(guān)鍵：一是要得到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，即應(yīng)力-時(shí)間歷程；其次要有材料的疲勞壽命 S-N 曲線。本文利用MATLAB軟件，編譯了一個(gè)支架載荷譜生成器如圖4所示。可以根據(jù)實(shí)際需要生成不同的疲勞壽命S-N曲線，其結(jié)果可自動(dòng)保存到”.dat”格式文件中，利用 ANSYS Workbench 中的 Fatigue 調(diào)入文件命令，直接把所需的曲線導(dǎo)入ANSYS Workbench直接進(jìn)行支架的疲勞壽命分析。其分析結(jié)果如圖5所示。

圖3 支架載荷譜生成器

圖4 疲勞壽命圖

MATLAB軟件編譯的載荷生成器，操作簡(jiǎn)單，圖形清楚，可很方便的與ANSYS Workbench結(jié)合使用，其結(jié)果與靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果比較，即可得到液壓支架底座兩端加載的應(yīng)力時(shí)間歷程。

4 結(jié)論

利用 ANSYS Workbench和 MATLAB軟件聯(lián)合進(jìn)行疲勞分析，為類似液壓支架這種工況復(fù)雜、承受復(fù)雜載荷的大型機(jī)械的疲勞壽命評(píng)估提供了新的嘗試。

分析得到了 ZY6800/ 23/ 47 型兩柱掩護(hù)式液壓支架的應(yīng)力、位移疲勞壽命云圖，其結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)和研發(fā)液壓支架具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]王國(guó)法，史元偉，陳忠怒，等.液壓支架技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[2]鄭曉雯，張衡，劉金龍，安許良.基于有限元法液壓支架的疲勞壽命分析[J].礦山機(jī)械，2010，38(17)：7-9.

[3]王國(guó)法，等.高端液壓支架及先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010.