液压支架的疲劳性分析

总第１７８期　２０１８年第２期　机械管理开发　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ　ＡＮＤ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ　Ｔｏｔａｌ　１７８　Ｎｏ．２．２０１８　

弧橇分柢与设试。　ＤＯＩ：１０．１６５２５￣．ｃｎｋｉ．ｃｎ１４－１１３４￣ｈ．２０１８．０２．１８　

液压支架的疲劳性分析　

张沛　

（西山煤电西曲矿综采二队，　山西古交０３０２００）　

摘要：在支架往复式的升柱降柱以及多次的冲击栽荷共同作用下支架容易发生塑性变形，最终会引起支架　主要承载结构的疲劳性失稳破坏。基于此，对液压支架的主要承载结构和主要传递载荷结构进行了疲劳性分　

析。分析认为：主要传递载荷构件的寿命要高于主要承受载荷构件的寿命，支架内部的连接耳板位置一般是疲　劳寿命最短的位置，根据矿井规程中对支架顶梁和底座可承受循环栽荷作用次数的规定可得支架可以满足耐　久性试验的要求。　

关键词：液压支架疲劳性疲劳寿命　中图分类号：ＴＤ３５５．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００３—７７３Ｘ（２０１　８）０２—００４４—０３　

引言　

在不同的矿井工作面中液压支架受到不同类型　的矿压作用，故支架的受载情况多样ｌ１］。在覆岩发生　

初次破断以及周期性破断时覆岩运移变形较为剧　烈，容易形成对支架的冲击载荷，在支架往复式的升　

柱降柱以及多次冲击载荷的共同作用下支架容易发　

生塑性变形，内部形成小的破裂［２］，裂隙发育贯通最　

终会引起支架主要承载结构的疲劳性失稳破坏，从　

而对工作面的安全生产带来巨大隐患。故而需要对　

液压支架进行疲劳『生分析，以利于判别液压支架在　

工作面的服务年限，同时还可以研究得到支架内部　主要构件的维修时间。　

１疲劳性分析理论　

在以往的生产理念中，认为当支架内部各构件　

所受的载荷不超过其极限强度时，构件可保持较高　

的稳定性，运行工作较为安全［３］。但一些构件经常受　

到多变应力作用，即使处于极限强度下，其最终也会　

发生疲劳Ｉ生失稳破坏。　疲劳眭破坏是某种材料在随机应力或循环式应　

力作用下发生的一种破坏形式。可从宏观和微观上　

对这种破坏形式进行研究，在宏观上，某种材料受多　

变应力的（该应力处于屈服极限以下）作用下会逐渐　

发生失效；在微观上，疲劳性破坏是材料内部裂隙发　

育、扩展、贯通等一系列演变造成材料发生不可逆的　塑性屈服的结果。由此可得材料的疲劳性破坏具有　

以下几个特点：　

１）材料所受应力为随机应力或循环式应力；　

２）该类型的破坏是渐变的、破裂累积的过程，具　

有时间效应；　

收稿日期：２０１７—１０—２４　作者简介：张沛（１９９２一），男，大专，机电助理工程师，现就职于　西山煤电西曲矿综采二队。　３）材料发生的破坏断裂具有瞬时Ｉ生，且产生的破　坏是不可逆的，无法对材料破坏断裂的时间点进行提　

前预判，故该类型的破坏极大的影响生产安全；　

４）疲劳ｌ生破坏点往往处于集中应力所在位置。　

材料从开始承受多变载荷作用直到最后总发生　

破坏断裂所经历的时间就是材料的寿命，影响因素众　

多，主要包括材料所受载荷的特点、载荷变化频率以　

及材料形状和力学特性等，材料的寿命还可以用承受　

循环载荷的次数来表示。材料每次所受的载荷均会对　其自身造成一定的损伤变形，受多次载荷作用，该类　

型的损伤变形会逐步累积，最终形成不可逆的破坏，　

故疲劳『生破坏是损伤变形累积的最终结果。有专家学　

者指出，损伤变形累积的趋势表现为线性趋势，材料　

所受载荷引起的损伤可通过式（１）计算。　

Ｄ＝　１．　（１）　

式中：Ⅳ表示循环载荷作用的次数。当材料每次所受　

载荷大小不变时，则在　次载荷作用下材料的损伤　

可通过式（２）表示。　

Ｄ＝　Ｎ·　（２）　

材料的累积损伤可通过式（３）计算。　

Ｄ＝　．　（３）　

当式（３）中材料的累积损伤增长到１时则意味　

着材料发生疲劳性破坏。式（１）一式（３）的计算都是　

在假设材料所受载荷为等值载荷时得到的，大多情　

况下材料所受载荷是不等值的，可通过修正损伤累　

积理论进行更正。在进行材料的疲劳分析时，主要根　

据疲劳图进行研究，疲劳图指疲劳寿命Ⅳ与疲劳应　

力Ｓ关系的曲线（５一Ⅳ曲线）。上文指出，在实际工程　应用中，

材料疲劳寿命的影响因素众多，故本文引进　２０１８年第２期　张沛：液压支架的疲劳性分析　

平均应力修正理论来对ｓ一，ｖ曲线进行进一步优化。　

该理论可通过式（４）表示。　

ｏ－ａ＝Ｏ－一。（１一　）．　（４）　

式中：　为材料的极限应力值；　为疲劳极限值；　

为研究材料的极限强度值；０ｒｈ为材料所受的平均　

载荷。　

２支架疲劳性理论分析　

工作面开采过程中支架一直经历着升柱降柱过　

程，且采场采动引起的覆岩运移变形程度是不断变　

化的，故支架所受载荷为多变的。当支架受特定次数　

的循环式载荷（如图１所示）作用下煤油发生疲劳Ｉ生　

破坏则称为支架的耐久性。　

Ⅱ寸Ｉ司　图１　支架所受的特定次数的循环式载荷示意图　

在进行支架疲劳性的仿真分析时需考虑多种　

因素的影响，认为支架所受的集中应力、设计尺寸　

以及加＿ｒ技艺为最主要影响因素，故在此设置集中　

应力影响因子为０．７，设计尺寸影响因子为０．９，加　１　技艺影响因子为０．８，综合考虑认为支架的疲劳　

强度因子为０．５，基于此在仿真分析前设置平均应　

力修正理论。　

３支架疲劳性仿真分析　

在完成支架的疲劳强度因子和平均应力修正理　

论的设置后对支架主要承载结构和主要传递载荷结　

构的疲劳程度进行仿真分析。　从图２中可以看出，支架顶梁可承受的循环载　

荷作用次数在３　８２３～１０。次之间，其中，顶梁中问的　

竖筋板位置寿命最短，仅可承受３　８２３次的循环载　

荷作用，究其原因，该位置受较明显的矿压作用，也　

是顶梁发挥支撑作用的主要受力点，故在顶粱中寿　

命最短；还可以发现，立柱与顶梁的铰接处以及中部　

盖板位置的寿命也较短；整体上观察，发现顶梁大部　

分区域的寿命较长，一般都在ｌ０　次以上。　从图３中可以看出，支架底座可承受的循环载　

荷作用次数在１　７４３～１　次之间，说明支架底座的整　

体寿命要少于支架顶梁，这主要是顶梁和底座所受　

载荷方式不同引起的。支架千斤顶在底座的耳板位　

置寿命最短，仅可承受１　７４３次的循环载荷作用，究　爨　

ｌ　图２支架顶梁的疲劳寿命　图３支架底座的疲劳寿命　示意图　示意图　

其原因，该位置往往是底座受载应力的集中位置。整　

体观察，发现底座大部分区域的寿命较长，一般在　

ｌ０　次以上。　

从图４和图５中可以看出，支架掩护梁可承受　

的循环载荷作用次数在４　７５４　１０　次之间，其中，掩　护梁在顶梁的耳板位置寿命最短，可承受４　７５４次　

的循环载荷作用；支架连杆可承受的循环载荷作用　

次数在２　９１２～１０　次之间，其中，连杆上千斤顶的连　

接耳板位置寿命最短，可承受２　９１２次的循环载荷　作用；整体上，支架掩护梁与连杆的寿命要相对高于　

支架顶梁和底座，说明支架主要传递载荷构件的寿　命要高于主要承受载荷构件的寿命。　

嚣　

‘　

图４支架掩护梁的疲劳寿命图５支架连杆的疲劳寿命　示意图　示意图　综上所述，支架内部的连接耳板位置一般是疲　

劳寿命最短的位置，在矿井中需要多注意该位置的　

疲劳程度。在矿井规程中规定支架顶梁至少要承　

受３　０００次循环载荷作用，而底座至少要承受１　０００　次循环载荷作用，故说明支架可以满足耐久性试验　

的要求。　

４结论　

在支架往复式的升柱降柱以及多次的冲击载荷　

共同作用下支架容易发生塑性变形，最终会引起支　

架主要承载结构的疲劳性失稳破坏。本文对液压支　

架进行了疲劳性分析，主要结论如下：　１）支架顶梁中间的竖筋板位置寿命最短，仅　

可承受３　８２３次的循环载荷作用，支架千斤顶在底　

座的耳板位置寿命最短，仅可承受ｌ　７４３次的循环　

载荷作用，整体上支架底座的整体寿命要少于支　·４６·　机械管理开发　ｊｘｇｌｋｉｂｊｂ＠１２６．ｃｏｍ　第３３卷　

架顶梁。　

２）掩护梁在顶梁的耳板位置寿命最短，可承受　

４　７５４次的循环载荷作用，连杆上千斤顶的连接耳板　

位置寿命最短，可承受２　９１２次的循环载荷作用；整　

体上，支架掩护梁与连杆的寿命要相对高于支架顶　

梁和底座。　

３）支架内部的连接耳板位置一般是疲劳寿命最　

短的位置，在矿井规程中规定支架顶梁至少要承受　

３　０００次循环载荷作用，而底座至少要承受１　０００次　循环载荷作用，故说明支架可以满足耐久性试验的　要求。　

参考文献　［１］魏耿赞．ＺＣ２００００／３４／６８超静定液压支架设计研究［Ｄ］．徐州：中　国矿业大学，２０１６．　［２］洪岸柳．液压支架的结构强度与疲劳寿命分析［Ｄ］．沈阳：东北大　学，２０１２．　［３］　董国伟．轨道斜巷运输综采液压支架断绳事故分析与预防［Ｊ］．　科技情报开发与经济，２００７（１）：２８６；２９３．　（编辑：李媛）　

Ｆａｔｉｇｕｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｕｐｐｏｒｔ　

Ｚｈａｎｇ　Ｐｅｉ　

（Ｘｉｓｈａｎ　Ｘｉｑｕ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｆｕｌｌｙ　Ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　Ｍｉｎｉｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ　Ｇｕｊｉａｏ　０３０２００）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ａｎｄ　ｕｎｄｅｒ　ｉｍｐａｃｔ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｓｔｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｎｅ　ｔｏ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｒ　ｄｒｏｐ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｌｕｍｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ，ｗｉｌｌ　ｅｖｅｎｔｕａＵｙ　ｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｈｃ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎ！ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｌｉｆｅ　ｌｏａｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｌｉｆｅ，ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｅａｒ　ｐｌａｔｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｃａｆｆｏｌｄ　ｉｓ　ｇｅｎｅｒａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｏ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔｅｓｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　

ｔｈｅ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　Ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｂｅａｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｃａｎ　ｗｉｔｈｓｔａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｉｍｅｓ　ｏｆ　ｃｙｃｌｉｃ　ｌｏａｄｉｎｇ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｔｅｓｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｕｐｐｏｒｔ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｆａｔｉｇｕｅ　ｌ　

（上接第４１页）　Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　ｉｎ　Ｌａｒｇｅ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｆａｃｅ　ｏｆ　Ｎｏ．１　

Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　

Ｙａｎ　Ｘｉａｏｌｉａｎｇ