液压支架偏心载荷作用下疲劳寿命的分析

胡彩霞

（晋能控股集团装备制造有限公司大同机电装备中央机厂， 山西 大同 037001）

0 引言

我国大量的煤矿采用井工作业的方式生产，随着采煤技术地不断发展，综合机械化采煤成为主要的开采方式，在综采使用的设备中，液压支架是进行工作面支护的重要设备，对矿井的安全开采具有重要的影响作用[1]。在液压支架的使用过程中，大采高技术不断发展应用，液压支架的支护高度也随之增加，液压支架的载荷不断提高，对液压支架的承载能力及稳定性具有较高的要求[2]。在井下恶劣的环境下，液压支架长期的工作中，液压支架的承载复杂多变，且升降过程中受到一定地冲击及交变载荷的作用，对液压支架的疲劳寿命造成一定的影响，不利于矿井的安全生产[3]。采用有限元仿真模拟的形式对液压支架在偏心载荷作用下的疲劳寿命进行分析，确定其承载构件顶梁、底座的寿命时间，从而便于对液压支架进行维护检修，保证液压支架的使用安全。

1 液压支架建模

液压支架的疲劳指承载构件在周期性的载荷或随机载荷的作用下，对液压支架的结构件产生的破坏，首先会产生一些细小的裂纹[4]，随着使用过程的继续造成裂纹地不断扩展，导致结构件产生塑性变形破坏。这种破坏与静力学的失效不同，载荷是周期性或者随机性的，液压支架的疲劳破坏具有不可恢复性，且是瞬时性地断裂发生[5]，具有较强的危险性。

液压支架在工作面推进的过程中进行升架、降架、推移等作业地循环，承受周期性的载荷变化，在偏心载荷作用下，顶梁受到的载荷工况恶劣，底座同时作为主要的承载构件，结合底座的集中载荷作用对液压支架的疲劳寿命进行分析[6]。采用名义应力法对液压支架的疲劳寿命进行分析，依据材料的S-N 曲线进行液压支架结构的分析，以应力集中系数及应力值的大小作为参考得到液压支架的疲劳寿命[7]。采用ANSYS Workbench 有限元分析软件进行液压支架的疲劳寿命分析，其分析流程如图1 所示。

图1 液压支架疲劳寿命分析流程

从图1 中看到，进行液压支架的疲劳寿命分析要对液压支架进行建模，在静力学分析的基础上进行疲劳寿命分析。首先在顶梁的偏心载荷、底座集中载荷作用下进行液压支架模型的建立，对液压支架的结构进行一定地简化处理，建立其三维结构模型[8]，并导入到ANSYS 中得到液压支架的模型如图2 所示。在ANSYS Workbench 中对液压支架模型进行网格划分处理，采用带有的自动网格化分工具对液压支架之类的复杂构件进行网格划分处理，设定网格的大小为30 mm，控制网格的大小从而提高计算分析的精度[9]。在ANSYS Workbench 中设定液压支架的材质为Q690高强度钢，并据此设定材质参数，进行分析计算。

图2 液压支架模型

依据液压支架顶梁偏心载荷底座集中载荷作用，采用垫块的形式对液压支架进行加载，偏载工况是液压支架受力较大的一种工况，此时液压支架在循环作业过程中的冲击载荷作用较强，对其疲劳寿命具有较高的要求[10]。在分析过程中设定液压支架的材质为Q690 高强度钢，限制液压支架底座的自由度设定为固定约束，受到集中载荷的作用，顶梁、底座等作为整体焊接的结构件，看作各向同性均质分布结构，考虑应力集中系数的影响作用，依据机械设计手册，同时考虑表面工艺及尺寸效应的影响[11]，设定液压支架的疲劳强度因子为0.5，对液压支架进行疲劳寿命分析。

2 液压支架疲劳寿命仿真分析结果

在液压支架分析模型中设定相应的参数值，并在结果计算中插入疲劳寿命的工具选项，经过计算得到液压支架顶梁及底座的疲劳寿命分布云图如图3、图4 所示。从图3 中可以看出，液压支架的顶梁疲劳寿命最小为1 541 次，在顶梁中间位置的筋板连接处疲劳寿命最小，其他位置的疲劳寿命则在1×107次以上，具有明显的疲劳寿命集中的特点。从图4 中可以看出，底座的疲劳寿命最小为4 861 次，底座的疲劳寿命分布具有较强的集中效应，在底座的连接耳座及垫块加载的位置处疲劳寿命最小，而其他位置处的疲劳寿命则在1×107次以上，底座整体承受交变载荷的能力较强，不易发生疲劳破坏。

图3 液压支架顶梁疲劳寿命分布云图

图4 液压支架底座疲劳寿命分布云图

依据煤矿液压支架的设计技术条件，液压支架在不同的加载工况下应能按规定的次数进行循环加载测试，并且不发生疲劳破坏，疲劳寿命要大于耐久性测试的加载次数[12]。其中，在顶梁偏心载荷的工况下，对液压支架进行耐久性测试，其加载次数应不小于2 000 次，由此可知，液压支架的顶梁结构在长期作业过程中不能满足该工况下的使用要求，需对液压支架的顶梁结构进行一定的优化，提高其疲劳强度。

对液压支架的结构进行优化提高其疲劳强度，应优化顶梁与底座中筋板的布置位置，在保持液压支架整体重量不变的条件下，改善液压支架的结构强度，且在强度较弱的部位，可以适当增加板厚或者改善筋板的材质，以提高顶梁连接筋板疲劳寿命。同时，在保证液压支架整体结构使用功能的同时，可改变液压支架的细小结构，从而改善连接筋板位置处的旖旎集中现象，从而通过较小的结构优化，提高液压支架的疲劳寿命。在实际进行液压支架的加工使用中，对于焊缝要进行合理的控制，保证焊缝的质量，并对焊缝进行一定的打磨加工处理，从而避免焊缝的开裂脱落等对液压支架疲劳寿命造成的影响，提高液压支架的疲劳寿命。

3 结语

液压支架是进行煤矿自动化综采的重要支护设备，对于煤矿的安全开采具有重要的作用。在井下复杂的环境中，液压支架的长期使用受到冲击及循环载荷的作用，随着矿井开采支护高度地不断提高，受到的载荷作用逐渐增加，液压支架容易产生一定地疲劳破坏，影响煤矿的安全开采。采用ANSYS 有限元仿真分析的形式对液压支架在偏心载荷及集中载荷作用下的疲劳寿命进行分析，建立液压支架的静力学分析模型，并依据材料的S-N 曲线进行液压支架疲劳寿命的计算。结果显示，液压支架的顶梁及底座存在明显的疲劳寿命集中现象，顶梁的最小疲劳寿命值为1 541 次，底座的最小疲劳寿命值为4 861 次，顶梁的疲劳寿命不满足液压支架的使用要求，应针对顶梁的最小寿命位置处进行一定的结构优化设计，提高其疲劳寿命大于2 000 次，保证液压支架的疲劳寿命，对煤矿的安全开采提供保障。