用于巷道支护锚索切断机机体疲劳强度分析*

康鹏桂，彭善飞，张 科

（1.青岛理工大学琴岛学院机电工程系，山东青岛 266091；2.中车集团青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111；3.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010）

0 引言

锚索支护是通过对锚索施加预应力来加固和改善岩土内部应力情况，可对岩土深部进行加固，目前锚杆锚索协同支护的方式在煤炭生产中得到了广泛应用，在巷道支护中发挥着不可替代的作用[1]。不同的巷道支护对锚索长度要求不一样，需要根据实际工况需求的长度尺寸对锚索进行切割，传统切割方式是人工采用无齿锯下料，不足之处是无法保证定长精度，故锚索切割机是施工自动化的发展趋势。锚索切断机机体[2]是锚索切断机的关键部件之一，锚索切断机在高频切断锚索过程中，机体和锚索之间接触产生的剪切力和冲击力直接作用于机体上，因此，锚索切断机机体的强度与疲劳寿命直接影响设备的加工效率和精度[3]。本文基于ANSYS Workbench对锚索切断机机体进行静力学与疲劳强度分析[4]，为下一步的机构设计提供理论基础[5-8]。

1 锚索切断机机体力学参数

1.1锚索参数

锚索一般由锚梁、自由段、锚固段和安全段4个部分组成，由φ15.24 mm和φ12.7 mm的高强度、低松弛、无黏结预应力的钢绞线组成，包括无黏结专用油脂、PC钢绞线和高压聚乙烯外皮，其截面结构如图1所示，锚索长度范围为20～50 m，定长误差为±1 mm。

图1 锚索截面结构图

1.2等效切断力

机座上的切断刀对锚索的最大等效切断力，如式（1）所示：

式中：K1为切刀切断力增大系数，取K1=1.3；K2为锚索抗剪强度和抗拉强度的比值，取K2=0.6；σb为锚索极限抗拉强度，锚索材质为45号钢，σb=600 MPa；A为锚索等效截面面积。

将上述数值代入式（1）中，可得：

Fmax=1.05 kN

2 锚索切断机机体有限元分析

2.1 机体三维几何模型

通过UG计算机辅助设计软件对锚索切断机机体进行三维建模。锚索切断机的机体模型如图2所示。

图2 锚索切断机的机体模型

2.2 定义材料属性及载荷条件

锚索切断机机体的材料为QT500-7。定义机体有限元模型的材料属性，包括弹性模量、材料密度及泊松比等参数，具体的材料力学性能如表1所示。

表1 材料QT500-7的力学性能

锚索切断机机体通过机体固定座安装在前面板上，上、下动刀通过滑轨分别固定在液压缸活塞杆上，实现对锚索的循环切断，如图3、图4所示。机体的支撑端面处添加固定约束，在机体上、下动刀的法向安装面上施加循环载荷，载荷数值为式（1）计算得出的最大等效切断力，载荷步列表如表2所示。

图3 锚索切断机结构正面模型图

图4 锚索切断机结构背面模型图

2.3 静力学分析

将锚索切断机的机体模型导入至有限元分析软件中，对机体进行网格划分，考虑到机体为不规则实体，因此对机体模型采用整体自由网格划分，机体有限元网格划分如图5所示，划分出15 285个节点，8 502个单元。机体网格划分后，在ANSYS Workbench Detial of mesh中选择statistic模块，mesh metric包含 Min:0.144 99，Max:0.998 96，Average:0.817 81，Standard Deviation:0.141 13。一般情况下，网格划分平均质量高于0.7代表划分的网格可以使用，机体网格划分的平均质量达到了0.817 81，因此机体划分网格质量良好。针对机体进行静力载荷有限元分析，将机体支撑端面设为固定约束，在添加约束和载荷后进行求解。

表2 载荷步列表

机体的应力云图如图6所示。图中：机体的最大应力为3.3 MPa，出现在上、下动刀和锚索接触断面处，小于材料的屈服强度235 MPa，所以机体满足强度要求，分析结果与理论计算值基本吻合。机体的应变云图如图7所示。图中机体的最大应变为1.66×10-8m，出现在锚索切断机机体虎口断面处。

图5 机体网格划分图

图6 机体的应力云图

图7 机体的应变云图

图8 机体的安全系数云图

2.4 机体疲劳分析

疲劳分析属于线性静态分析，基本流程与线性静态结构分析相同，但是在分析时需要添加机体材料的疲劳属性，并在输出结果时设置相应的疲劳求解项目。取上文得到的静力学强度分析参数，进入有限元软件后处理器，输出相关的应力应变结果，在后处理器中定义载荷和循环材料特性，根据疲劳准则对机体材料进行疲劳寿命计算，应用ANSYS Workbench后处理Fatigue模块对机体进行疲劳寿命计算分析。机体的安全系数云图如图8所示。图中：机体结构失效应力和设计应力的比值，最小安全系数为0.018 148，出现在机体中心圆弧处，其余安全系数都在2以上，均在塑性材料安全设计范围之内。

机体的寿命云图如图9所示。图中：机体因疲劳作用导致结构失效的循环次数，参考QT500-7材料S-N曲线[8]，材料的最大寿命为106，可以等效为材料的无限寿命，机体的寿命云图分析结果均为106，所以机体不会产生结构疲劳破坏。机体的损伤云图如图10所示。图中：机体设计寿命与可用寿命的比值，机体整个构件的数值均在1以下，所以不会发生疲劳损伤。

图9 机体的寿命云图

图10 机体的损伤云图

3结束语

本研究将锚索切断机机体模型导入ANSYS软件中进行静力学和疲劳分析，得到机体的最大应力为3.3 MPa，机体的最大应变为1.66×10-8m，最小安全系数为0.018148，机体的寿命云图分析结果均为106，机体整个构件的数值均在1以下。得出结论：（1）对锚索切断机机体进行静力学分析，验证了力学理论计算结果，为后续的机构设计提供理论参考；（2）对锚索切断机机体进行疲劳分析，得出了机体安全系数云图、寿命云图和损伤云图，为后续进行机构优化打下理论基础。