用于巷道支護錨索切斷機機體疲勞強度分析*

康鵬桂，彭善飛，張 科

（1.青島理工大學琴島學院機電工程系，山東青島 266091；2.中車集團青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111；3.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭 014010）

0 引言

錨索支護是通過對錨索施加預應力來加固和改善巖土內部應力情況，可對巖土深部進行加固，目前錨桿錨索協同支護的方式在煤炭生產中得到了廣泛應用，在巷道支護中發揮著不可替代的作用[1]。不同的巷道支護對錨索長度要求不一樣，需要根據實際工況需求的長度尺寸對錨索進行切割，傳統切割方式是人工采用無齒鋸下料，不足之處是無法保證定長精度，故錨索切割機是施工自動化的發展趨勢。錨索切斷機機體[2]是錨索切斷機的關鍵部件之一，錨索切斷機在高頻切斷錨索過程中，機體和錨索之間接觸產生的剪切力和沖擊力直接作用于機體上，因此，錨索切斷機機體的強度與疲勞壽命直接影響設備的加工效率和精度[3]。本文基于ANSYS Workbench對錨索切斷機機體進行靜力學與疲勞強度分析[4]，為下一步的機構設計提供理論基礎[5-8]。

1 錨索切斷機機體力學參數

1.1錨索參數

錨索一般由錨梁、自由段、錨固段和安全段4個部分組成，由φ15.24 mm和φ12.7 mm的高強度、低松弛、無黏結預應力的鋼絞線組成，包括無黏結專用油脂、PC鋼絞線和高壓聚乙烯外皮，其截面結構如圖1所示，錨索長度范圍為20～50 m，定長誤差為±1 mm。

圖1 錨索截面結構圖

1.2等效切斷力

機座上的切斷刀對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，取K1=1.3；K2為錨索抗剪強度和抗拉強度的比值，取K2=0.6；σb為錨索極限抗拉強度，錨索材質為45號鋼，σb=600 MPa；A為錨索等效截面面積。

將上述數值代入式（1）中，可得：

Fmax=1.05 kN

2 錨索切斷機機體有限元分析

2.1 機體三維幾何模型

通過UG計算機輔助設計軟件對錨索切斷機機體進行三維建模。錨索切斷機的機體模型如圖2所示。

圖2 錨索切斷機的機體模型

2.2 定義材料屬性及載荷條件

錨索切斷機機體的材料為QT500-7。定義機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，具體的材料力學性能如表1所示。

表1 材料QT500-7的力學性能

錨索切斷機機體通過機體固定座安裝在前面板上，上、下動刀通過滑軌分別固定在液壓缸活塞桿上，實現對錨索的循環切斷，如圖3、圖4所示。機體的支撐端面處添加固定約束，在機體上、下動刀的法向安裝面上施加循環載荷，載荷數值為式（1）計算得出的最大等效切斷力，載荷步列表如表2所示。

圖3 錨索切斷機結構正面模型圖

圖4 錨索切斷機結構背面模型圖

2.3 靜力學分析

將錨索切斷機的機體模型導入至有限元分析軟件中，對機體進行網格劃分，考慮到機體為不規則實體，因此對機體模型采用整體自由網格劃分，機體有限元網格劃分如圖5所示，劃分出15 285個節點，8 502個單元。機體網格劃分后，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，網格劃分平均質量高于0.7代表劃分的網格可以使用，機體網格劃分的平均質量達到了0.817 81，因此機體劃分網格質量良好。針對機體進行靜力載荷有限元分析，將機體支撐端面設為固定約束，在添加約束和載荷后進行求解。

表2 載荷步列表

機體的應力云圖如圖6所示。圖中：機體的最大應力為3.3 MPa，出現在上、下動刀和錨索接觸斷面處，小于材料的屈服強度235 MPa，所以機體滿足強度要求，分析結果與理論計算值基本吻合。機體的應變云圖如圖7所示。圖中機體的最大應變為1.66×10-8m，出現在錨索切斷機機體虎口斷面處。

圖5 機體網格劃分圖

圖6 機體的應力云圖

圖7 機體的應變云圖

圖8 機體的安全系數云圖

2.4 機體疲勞分析

疲勞分析屬于線性靜態分析，基本流程與線性靜態結構分析相同，但是在分析時需要添加機體材料的疲勞屬性，并在輸出結果時設置相應的疲勞求解項目。取上文得到的靜力學強度分析參數，進入有限元軟件后處理器，輸出相關的應力應變結果，在后處理器中定義載荷和循環材料特性，根據疲勞準則對機體材料進行疲勞壽命計算，應用ANSYS Workbench后處理Fatigue模塊對機體進行疲勞壽命計算分析。機體的安全系數云圖如圖8所示。圖中：機體結構失效應力和設計應力的比值，最小安全系數為0.018 148，出現在機體中心圓弧處，其余安全系數都在2以上，均在塑性材料安全設計范圍之內。

機體的壽命云圖如圖9所示。圖中：機體因疲勞作用導致結構失效的循環次數，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限壽命，機體的壽命云圖分析結果均為106，所以機體不會產生結構疲勞破壞。機體的損傷云圖如圖10所示。圖中：機體設計壽命與可用壽命的比值，機體整個構件的數值均在1以下，所以不會發生疲勞損傷。

圖9 機體的壽命云圖

圖10 機體的損傷云圖

3結束語

本研究將錨索切斷機機體模型導入ANSYS軟件中進行靜力學和疲勞分析，得到機體的最大應力為3.3 MPa，機體的最大應變為1.66×10-8m，最小安全系數為0.018148，機體的壽命云圖分析結果均為106，機體整個構件的數值均在1以下。得出結論：（1）對錨索切斷機機體進行靜力學分析，驗證了力學理論計算結果，為后續的機構設計提供理論參考；（2）對錨索切斷機機體進行疲勞分析，得出了機體安全系數云圖、壽命云圖和損傷云圖，為后續進行機構優化打下理論基礎。