浅埋深工作面液压支架疲劳寿命分析

     作者：孙权1,2，刘混举1，李博-l

    （1．太原理工大学机械工程学院，山西  太原  030024;2．神华神东煤炭集团上榆泉煤矿，山西  河曲  036500）

    摘要：在浅埋深地质矿区，由于煤层开采地质条件的特殊性，液压支架的结构件在使用过程中容易发生损坏。根据液压支架使用工作现场采集的数据，分析某型号液压支架顶梁的受力情况，并利用UG建立液压支架顶梁的三维模型，综合使用ANSYS及LMS进行分析计算，对液压支架结构件进行疲劳寿命分析，并将分析结果与现场实际情况进行对比，验证分析结果的正确性，为以后液压支架结构设计及优化提供了一定的理论依据。

    关键词：液压支架；有限元分析；疲劳寿命

    中图分类号：TD355+.4：TP391.7    文献标识码：A

    0  引言

    液压支架是综采工作面机械装备的重要组成部分，是企业保证安全、高效生产的关键。液压支架不仅为煤矿工人提供作业空间，保证他们的人身安全，而且其投资比重也占到综采设备总投资的70%以上，因此提高液压支架的可靠性具有很大的现实意义。浅埋深矿区的煤层深度一般不会超过150 m，其顶板的结构较为简单，上面有较厚的松散沙层，顶板来压时动载明显反应剧烈，在该类型矿区工作面工作的液压支架经常会发生结构件的损坏现象。为提高其工作的可靠性，在现场数据采集的基础上，本文结合UG三维建模和ANSYS仿真分析，对某初撑力为6 413 kN、额定工作阻力为8 640 kN的两柱掩护式液压支架来压状态下的应力应变情况进行分析，再结合LMS Virtual.Lab Durability软件实现液压支架的疲劳寿命分析，从而为液压支架的设计提供一定的理论依据。

    l  压力数据采集

    采用KBJ-60-1液压支架工作阻力连续记录仪作为监测设备，其主要是由计算机、数据采集器、数字压力计以及适配器四部分组成。实际工作中设有多个监测点，由压力计记录各个测点的压力值，再传输给对应的分析软件进行数据处理，最终得到液压支架工作阻力变化情况，如图1所示。

    由图1可知，初次来压时，工作阻力迅速增大，当达到最大值后会保持一段时间。数据采集器采集到的数据表明工作面液压支架的工作阻力最大约为41 MPa，是额定工作阻力的96. 7%，其他支架的工作阻力都在6 746 kN/架～8 430 kN/架之间。

    当周期来压时，数据采集器采集到的数据表明液压支架最大工作阻力为41. 72 MPa，是液压支架额定工作阻力的98. 3%，而非周期来压时为30.17 MPa，工作面支架的平均工作阻力为8 120 kN/架，是额定工作阻力的93. 9%。

    2  液压支架结构件的有限元分析

    2.1  建立结构件三维实体模型

    液压支架结构件整体采用薄壁多腔室箱形结构，内部结构复杂，箱型结构由高强度板材焊接而成。为简化建模及后续的处理过程，用UG建模时，对液压支架结构件进行如下简化：去除为方便生产和安装而加工的孔和圆角；忽略焊缝对结构件的影响；去除侧护板上为安装侧护板液压缸而加工的孔。

    在简化过程中应遵循以下原则：①保留对液压支架整体强度影响较大的结构；②各个零部件整体尺寸不变；③可能发生应力集中的要素不简化。

通过简化最终得到的液压支架结构件的三维模型如图2所示。

    2.2  单元选择和材料特性

    考虑到液压支架为复杂箱型结构，并且空间受力不对称，因此在建模时采用三维实体单元Solid185。假定液压支架各结构件板材的强度都保持一致，且母材和焊缝处都没有任何缺陷。在设置材料属性时取弹性模量E=2. 07×l05 MPa，泊松比μ=0.3，材料密度ρ=7.85×l03 kg/m3，采用自由网格划分方法对建立的模型进行网格划分，并对销轴孔、耳座等应力变化较大的部位进行适当的网格细化。最终得到的网格划分结果如图3所示，共包括364 438个单元。

    2.3  边界条件和载荷施加

    (1)液压支架结构件各个部件进行铰接，为了便于计算机仿真，最大程度地模拟实际受力情况，限制销轴孔内部与掩护梁相对的半个圆弧面的节点沿掩护梁方向的平移自由度。

    (2)根据液压支架平面力学模型建立平衡方程，代人已经得到的顶板来压数据，可得出液压支架各个结构件的受力情况，并计算出液压支架顶梁最大受力F-8 494 kN。根据上述计算结果施加载荷。

    (3)分析可知，液压支架顶梁载荷类型为球面接触载荷，分析较为复杂，而顶梁本身自重较大，因此根据圣维南原理，将其统一简化为重力载荷进行处理。液压支架施加的载荷如图4所示。

    2.4有限元求解及结果分析

    在约束和载荷施加完成之后，选择求解速度更快的PCG迭代求解器进行求解。最终得到液压支架各方向的应力、应变云图，如图5、图6所示。

    由图5、图6可知，在液压支架结构件的顶梁柱窝处出现最大应力，其值为500 MPa，而在掩护梁上前连杆铰接孔周围以及底座连杆前铰接孔下部的应力值都小于母材的屈服极限。

    查看液压支架立柱的应力云图可知，立柱承受的工作阻力为40 MPa，而液压支架受力分析时得到的立柱工作阻力为46 MPa，两者比较相近，在误差允许的范围之内，因此该有限元分析结果比较符合实际情况。

    3疲劳寿命分析

    液压支架结构件的有限元分析完成之后，生成一个．rst文件，将其导入LMS Virtual. Lab Durability软件中并执行可得到一个执行结果，如图7所示。执行结果显示，液压支架结构件在上述重力载荷作用下循环一次的疲劳损伤值为0. 000 149，当损伤值．达到1时，液压支架将会发生疲劳破坏，因此可以通过计算得到液压支架结构件在疲劳寿命周期内可以使用的循环次数约为6 711。

    4结束语

    本文用UG建立了浅埋深工作面某型号液压支架的三维模型，并根据现场采集的数据，借助ANSYS软件对结构件进行有限元分析，最后将分析结果导入LMS Virtual. Lab Durability软件中进行疲劳寿命分析。分析结果与现场情况相符，证明此方法的合理性。为以后浅埋深工作面液压支架的设计、结构优化和试验提供了新的方法，此方法可以有效地缩短设计时间，节约试验成本。

    参考文献：

[1]  王国法，液压支架技术[M]．北京：煤炭工业出版社，1999．

[2]鲁忠良，景国勋．液压支架设计使用安全辨析[M],北京：煤炭工业出版社，2006．

[3]  吴震，王颖，基于ANSYS Workbench液压支架整架有限元分析[J].煤矿机械，2009，30(9)：106-108.

[4]  李黎明．ANSYS有限元分析实用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

    Fatigue Life Analysis of Hydraulic Support in Coal Mining Face ywith Shallow Mining Depth

    SUN Quan ,  LIU Hun-ju ,  LI Bo

(1.  College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2.  Shangyvquan Mine of Shenhua Shendong Coal Group, Hequ 036500, China)

Abstract: Due to the particularity of mining geological conditions of shallow coal seam, the structure of hydraulic support is prone to be damaged during operation. This paper analyses a certain hydraulic support force of the top beam based on the data collected from the job site, and uses UG software to establish a three-dimensional model of top beam.  After a comprehensive analysis by ANSYS and LMS, the paper carries out the structural fatigue life analysis of hydraulic support and compares the results with the actual situation to verify the reasonable conclusion. The analysis results provide the theory basis for structure design and optimization of hydraulic support.

Key words: hydraulic support; finite element analysis; fatigue life