ZY6800/23/47液压支架的力学和疲劳寿命分析

贾维维，孟海岗，周 俊，张少秋，姜仁坤 ，郝 玲，徐廷君

三一重型装备装有限公司，辽宁 沈阳 110027

煤矿用液压支架是综采工作面的支护设备，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业的正常进行。其性能的好坏关系到综采工作面的安全、生产效率和煤矿经济效益。特别是安全性要求，直接关系到井下工作人员、设备及整个综采工作面的安全。液压支架的主要构件属于复杂结构件，并且其工况复杂，长期承受变化的动态载荷，因此，疲劳是其主要的失效形式。如何准确评估其疲劳寿命一直是人们关注的焦点，疲劳分析法就是用来处理动应力及由此产生的破坏的基本方法。本文以 ZY6800/ 23/47型两柱掩护式液压支架为研究对象，利用MATLAB和 ANSYS Workbench 及 Fatigue 等分析软件，对其应力、位移和疲劳寿命进行对比分析研究。

1 工况及载荷的确定

根据MT312《液压支架通用技术条件》中压架试验标准，主体结构件强度试验分13种工况。分别是：1）底座两端加载；2）底座内侧对称加载；3）底座前扭转加载；4）底座后扭转加载；5）底座四角加载；6）底座外侧对称加载；7）底座对角加载；8）顶梁两端加载；9）顶梁前扭转加载；10）顶梁偏心载；11）顶梁后扭转加载；12）顶梁对角加载；13）顶梁纵向中间加载。试验方法为立柱内加载，除10顶梁偏心加载试验压力为1.1倍工作阻力，其余试验压力为1.2倍工作压力。

2 有限元分析

图1 应力图

图2 位移图

应用ANSYS WORKBench仿真分析软件对液压支架13种工况进行力学分析，本文以工况 1 为例建立约束条件简单说明。首先，在顶梁与掩护梁、掩护梁与前后连杆、前后连杆与底座间采用转动副连接；其次，在顶梁上面和底座下面共创建 3个长方体来模拟垫块，垫块与顶梁、底座的接触用contact 来约束；最后，使用固定副将垫块与大地进行固定。图1、图2是其整体模型的受力分析结果。从图1和土中可以看出对于底座两端加载，垫块处应力最大，可以不考虑，除底座的柱窝和耳板的弧线部位应力达到1000兆帕左右，其它部位均在材料的抗拉强度之内。从位移图中可以看出底座固定，顶梁的位移比较大，符合试验的要求，其位移范围在允许值之内。

3 疲劳寿命分析

在疲劳寿命分析中有 2 个关键：一是要得到结构的动态应力，即应力-时间历程；其次要有材料的疲劳寿命 S-N 曲线。本文利用MATLAB软件，编译了一个支架载荷谱生成器如图4所示。可以根据实际需要生成不同的疲劳寿命S-N曲线，其结果可自动保存到”.dat”格式文件中，利用 ANSYS Workbench 中的 Fatigue 调入文件命令，直接把所需的曲线导入ANSYS Workbench直接进行支架的疲劳寿命分析。其分析结果如图5所示。

图3 支架载荷谱生成器

图4 疲劳寿命图

MATLAB软件编译的载荷生成器，操作简单，图形清楚，可很方便的与ANSYS Workbench结合使用，其结果与静态应力分析结果比较，即可得到液压支架底座两端加载的应力时间历程。

4 结论

利用 ANSYS Workbench和 MATLAB软件联合进行疲劳分析，为类似液压支架这种工况复杂、承受复杂载荷的大型机械的疲劳寿命评估提供了新的尝试。

分析得到了 ZY6800/ 23/ 47 型两柱掩护式液压支架的应力、位移疲劳寿命云图，其结果对于设计和研发液压支架具有一定的指导意义。

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