康鵬桂,彭善飛,張 科
(1.青島理工大學(xué)琴島學(xué)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(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010)
錨索支護是通過對錨索施加預(yù)應(yīng)力來加固和改善巖土內(nèi)部應(yīng)力情況,可對巖土深部進行加固,目前錨桿錨索協(xié)同支護的方式在煤炭生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,在巷道支護中發(fā)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(jù)實際工況需求的長度尺寸對錨索進行切割,傳統(tǒng)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(fā)展趨勢。錨索切斷機機體[2]是錨索切斷機的關(guān)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(chǎn)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(shè)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(xué)與疲勞強度分析[4],為下一步的機構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)[5-8]。
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(jié)預(yù)應(yīng)力的鋼絞線組成,包括無黏結(jié)專用油脂、PC鋼絞線和高壓聚乙烯外皮,其截面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖
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(shù),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(zhì)為45號鋼,σb=600 MPa;A為錨索等效截面面積。
將上述數(shù)值代入式(1)中,可得:
Fmax=1.05 kN
通過UG計算機輔助設(shè)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
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(shù),具體的材料力學(xué)性能如表1所示。
表1 材料QT500-7的力學(xué)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(xiàn)對錨索的循環(huán)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(huán)載荷,載荷數(shù)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(jié)構(gòu)正面模型圖
圖4 錨索切斷機結(jié)構(gòu)背面模型圖
將錨索切斷機的機體模型導(dǎo)入至有限元分析軟件中,對機體進行網(wǎng)格劃分,考慮到機體為不規(guī)則實體,因此對機體模型采用整體自由網(wǎng)格劃分,機體有限元網(wǎng)格劃分如圖5所示,劃分出15 285個節(jié)點,8 502個單元。機體網(wǎng)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(wǎng)格劃分平均質(zhì)量高于0.7代表劃分的網(wǎng)格可以使用,機體網(wǎng)格劃分的平均質(zhì)量達到了0.817 81,因此機體劃分網(wǎng)格質(zhì)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(shè)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(yīng)力云圖如圖6所示。圖中:機體的最大應(yīng)力為3.3 MPa,出現(xiàn)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(jié)果與理論計算值基本吻合。機體的應(yīng)變云圖如圖7所示。圖中機體的最大應(yīng)變?yōu)?.66×10-8m,出現(xiàn)在錨索切斷機機體虎口斷面處。
圖5 機體網(wǎng)格劃分圖
圖6 機體的應(yīng)力云圖
圖7 機體的應(yīng)變云圖
圖8 機體的安全系數(shù)云圖
疲勞分析屬于線性靜態(tài)分析,基本流程與線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)果時設(shè)置相應(yīng)的疲勞求解項目。取上文得到的靜力學(xué)強度分析參數(shù),進入有限元軟件后處理器,輸出相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,在后處理器中定義載荷和循環(huán)材料特性,根據(jù)疲勞準則對機體材料進行疲勞壽命計算,應(yīng)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(shù)云圖如圖8所示。圖中:機體結(jié)構(gòu)失效應(yīng)力和設(shè)計應(yīng)力的比值,最小安全系數(shù)為0.018 148,出現(xiàn)在機體中心圓弧處,其余安全系數(shù)都在2以上,均在塑性材料安全設(shè)計范圍之內(nèi)。
機體的壽命云圖如圖9所示。圖中:機體因疲勞作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的循環(huán)次數(shù),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(jié)果均為106,所以機體不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞破壞。機體的損傷云圖如圖10所示。圖中:機體設(shè)計壽命與可用壽命的比值,機體整個構(gòu)件的數(shù)值均在1以下,所以不會發(fā)生疲勞損傷。
圖9 機體的壽命云圖
圖10 機體的損傷云圖
本研究將錨索切斷機機體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進行靜力學(xué)和疲勞分析,得到機體的最大應(yīng)力為3.3 MPa,機體的最大應(yīng)變?yōu)?.66×10-8m,最小安全系數(shù)為0.018148,機體的壽命云圖分析結(jié)果均為106,機體整個構(gòu)件的數(shù)值均在1以下。得出結(jié)論:(1)對錨索切斷機機體進行靜力學(xué)分析,驗證了力學(xué)理論計算結(jié)果,為后續(xù)的機構(gòu)設(shè)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(shù)云圖、壽命云圖和損傷云圖,為后續(xù)進行機構(gòu)優(yōu)化打下理論基礎(chǔ)。