張 闖

（三一重型裝備有限公司，沈陽 110027）

液壓支架主要由金屬構(gòu)件組成，以高壓液體作為動力，它是礦井支護的核心設(shè)備，在工作中承受礦山壓力。傳統(tǒng)的液壓支架主要以應(yīng)力集中為基礎(chǔ)，采用強度安全系數(shù)準(zhǔn)則進行計算設(shè)計，但在滿足安全系數(shù)的前提下，往往也會發(fā)生開裂事故，因為傳統(tǒng)強度理論中假設(shè)材料都是均勻連續(xù)的，而實際材料不可避免的存在各種缺陷。金屬結(jié)構(gòu)件在載荷的作用下，逐漸形成裂紋，并從某一處缺陷開始逐漸開始擴大，最終導(dǎo)致斷裂。因此，在液壓支架設(shè)計過程中引入斷裂力學(xué)理論，可增加安全設(shè)計，防止發(fā)生低應(yīng)力脆斷[1]。

1 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)

斷裂力學(xué)是將帶有缺陷的材料假設(shè)為理想的線彈性體，并以線彈性力學(xué)為基礎(chǔ)研究帶缺陷結(jié)構(gòu)以及其發(fā)生斷裂的規(guī)律。缺陷構(gòu)件在應(yīng)力集中下，隨著使用時間增加會形成微小裂紋，在實際測試中，初始裂紋尺寸可由無損檢測方法來確定，或者在材料制造過程中引入相應(yīng)的缺陷尺寸進行確定。最終開裂臨界尺寸可通過材料斷裂韌性來計算，對給定的材料或結(jié)構(gòu)，其初始裂紋尺寸一般以一個常數(shù)代表[2]。應(yīng)力強度因子KI反映裂紋尖端附近應(yīng)力場及位移場的強弱程度，在相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計中，應(yīng)力強度因子KI的計算方法如式（1）～式（3）所示。

式中，M為應(yīng)力修正因子；Q為缺陷形狀參數(shù)。

2 液壓支架設(shè)計實例

通常情況下，液壓支架設(shè)計時并無缺陷情況，因此只能根據(jù)以往經(jīng)驗假定缺陷進行設(shè)計，故假設(shè)缺陷垂直于最大應(yīng)力方向，為尖銳表面缺陷。支架結(jié)構(gòu)件主要承受彎曲應(yīng)力，由彎曲應(yīng)力引起的應(yīng)力強度因子KIb如式（4）所示。

本設(shè)計中，支架頂梁結(jié)構(gòu)件的危險截面如圖1所示，已知危險截面受到的彎矩W=3236176KN·mm，截面的慣性矩I=1391967500mm4，形心高度y=150mm，箱型高度為h=330mm，計算得到最大彎曲應(yīng)力σ=418MPa，鋼板材料為Q460C。傳統(tǒng)方法計算得到安全系數(shù)為1.1，符合強度要求，設(shè)計合理。

圖1 頂梁結(jié)構(gòu)件截面圖

根據(jù)斷裂力學(xué)知識，進行韌度校核，經(jīng)實驗測得Q460C材料的極限強度因子為KI=396N·mm-3/2，假設(shè)初始裂紋長度為0.5mm，Q由公式（2）計算為1.64，查閱文獻Mb取1.1，按照公式（4）計算得到KIb=448N·mm-3/2，KIb＞KI，結(jié)構(gòu)韌度不夠，初始缺陷會發(fā)生斷裂，設(shè)計不合理，所以需要采取增加慣性矩，或更換高強材料等方法來提高結(jié)構(gòu)韌度[3]。

3 結(jié)論

斷裂力學(xué)是構(gòu)件缺陷和斷裂評估的一種重要依據(jù)，特別是在不允許發(fā)生破壞情況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計，更是需要通過斷裂力學(xué)對構(gòu)建性能進行分析。研究結(jié)果表明，在強度滿足安全系數(shù)的情況下，韌度有可能不滿足要求，必須進行防斷裂校核，將斷裂力學(xué)相關(guān)知識引入到支架產(chǎn)品設(shè)計中，可以進一步優(yōu)化液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)力分析，實現(xiàn)傳統(tǒng)強度設(shè)計與斷裂力學(xué)綜合運用，開展這方面的研究對提升液壓支架設(shè)計水平具有重要意義。