劉建英 陳 靜 趙麗萍

（1.河南工程學(xué)院機(jī)械工程系，河南省鄭州市，450007；2.鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校，河南省鄭州市，450013）

?380mm液壓支架立柱的有限元分析

劉建英1陳 靜1趙麗萍2

（1.河南工程學(xué)院機(jī)械工程系，河南省鄭州市，450007；2.鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校，河南省鄭州市，450013）

依據(jù)國內(nèi)制定的有關(guān)液壓支架立柱技術(shù)條件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對?380mm立柱的1.5倍額定軸心載荷強(qiáng)度分析和1.1倍額定載荷、偏心30mm屈曲分析進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真。通過對?380mm液壓支架立柱的三維建模及受力分析模擬仿真，得出了?380mm立柱應(yīng)力變形以及應(yīng)力分布模擬狀況，為立柱的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

液壓支架 立柱應(yīng)力 模擬仿真 有限元分析

立柱是液壓支架的主要承載和高度調(diào)節(jié)構(gòu)件，它除了要具有較高的承載能力外，還應(yīng)有較大的伸縮行程，以滿足液壓支架的工作要求。高工作阻力大采高支架所用的大缸徑立柱是大采高液壓支架設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵，它的設(shè)計(jì)合理與否直接影響到整個(gè)液壓支架的質(zhì)量和使用效果。目前，指導(dǎo)大缸徑立柱的設(shè)計(jì)方法主要依靠經(jīng)驗(yàn)，理論計(jì)算研究不夠深入。因此，本文依據(jù)MT313－1992標(biāo)準(zhǔn)，采用有限元分析的方法對?380mm立柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為立柱的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 立柱數(shù)學(xué)模型的建立

?380mm立柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)模型不能直接進(jìn)行有限元分析，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化。去除不受力的立柱附件以及對主體結(jié)構(gòu)受力影響小的倒角、孔槽和溝槽結(jié)構(gòu)，最終得到立柱有限元數(shù)學(xué)簡化模型如圖1所示。

簡化后的模型真實(shí)反應(yīng)了該立柱結(jié)構(gòu)的整體原貌，最大程度地保證了原結(jié)構(gòu)的空間幾何關(guān)系。局部孔槽的簡化僅影響局部應(yīng)力，對整體結(jié)構(gòu)無明顯影響，不會使分析結(jié)果失真。

2 1.5倍額定軸心載荷強(qiáng)度分析

2.1 分析類型

立柱簡化后為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以靜態(tài)分析采用“2D簡化”選項(xiàng)，簡化后模型如圖2所示。

圖2 主柱2D靜態(tài)分析簡化模型

2.2 材料

立柱缸體材料為27SiMn，材料屬性為：楊氏模量2.07×1011Pa，密度7850kg/m3，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度835MPa，抗拉強(qiáng)度980MPa。

2.3 約束

立柱的工作狀態(tài)為外缸的缸底球面和底座柱窩球面接觸，活柱球面和頂梁柱窩球面接觸，外缸與中缸、中缸與活柱之間也是真實(shí)接觸。在有限元分析里，需要對真實(shí)的接觸情況進(jìn)行簡化，在立柱靜態(tài)分析約束中，柱窩底面設(shè)定為“固定”約束，柱窩與缸底球面設(shè)定為“無穿透”約束，導(dǎo)向套與缸體設(shè)定為“無穿透”約束。

2.4 載荷

對外缸內(nèi)部施加均勻壓力，外缸加載壓力P1為：

式中：F——額定工作阻力，5100kN；

D1——外缸直徑，380mm。

對中缸內(nèi)部施加均勻壓力，中缸加載壓力P2為：

式中：F——額定工作阻力，5100kN；

D2——中缸直徑，270mm。

2.5 離散化與解算

采用8mm大小的四面體單元對數(shù)學(xué)模型離散化，確保缸壁處至少分布3層單元。導(dǎo)向套處采用2mm單元進(jìn)行網(wǎng)格控制，網(wǎng)格大小以1.3倍遞增，劃分成功后，單元總數(shù)為1.45萬。2D模擬的網(wǎng)格數(shù)量較少，所以采用軟件自帶的Direct Spar解算器進(jìn)行解算。

2.6 分析結(jié)果

圖3 立柱整體應(yīng)力圖解

立柱整體應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，立柱的中缸缸壁內(nèi)側(cè)應(yīng)力為591MPa，為最大有效應(yīng)力。安全系數(shù)n＝835/591＝1.41＞1.2，立柱強(qiáng)度符合MT313－1992標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 1.1倍額定載荷，偏心30 mm屈曲分析

3.1 分析類型

由于屈曲分析類型不能把立柱簡化為軸對稱形式，所以應(yīng)該對立柱進(jìn)行整體分析，立柱屈曲分析模型如圖4所示。

圖4 主柱屈曲分析模型

3.2 約束

屈曲分析約束中，全局接觸設(shè)定為“無穿透”約束，外缸缸底球面設(shè)定為“球面”約束。導(dǎo)向套處采用銷約束替代，旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)為0，不限定徑向自由度。

3.3 載荷

根據(jù)MT313－1992標(biāo)準(zhǔn)要求，在立柱頭部球頭偏心30mm處施加平行于立柱軸心的力F2＝1.1F＝5610kN。

3.4 離散化與解算

采用13mm大小的四面體單元對數(shù)學(xué)模型離散化。劃分成功后，單元總數(shù)為70.4萬。采用軟件自帶的FFEPlus解算器進(jìn)行解算。

3.5 分析結(jié)果

立柱屈曲分析如圖5所示。從圖5可以看出，載荷因子f≈1.74＞1，不會發(fā)生主柱屈曲，立柱符合MT313－1992標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 立柱屈曲分析圖解

4 結(jié)論

本文依據(jù)國內(nèi)制定的有關(guān)液壓支架立柱的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（MT313－1992），選取了1.5倍額定軸心載荷強(qiáng)度及1.1倍額定載荷、偏心30mm屈曲進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真和有限元分析。通過對該立柱模擬仿真，得出了?380mm液壓支架立柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，這為液壓支架立柱的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在實(shí)際的液壓支架立柱加載試驗(yàn)中，可以以此模擬試驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為參考，在應(yīng)力比較大的部位安置應(yīng)變片，更有目的性地進(jìn)行試驗(yàn)。

［1］ 趙衡山.國內(nèi)液壓支架試驗(yàn)規(guī)范淺析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1997（3）

［2］ 王國法，徐亞軍等.液壓支架三維建模及其運(yùn)動仿真［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（5）

［3］ 鄭曉雯，李錦彪，劉穎等.基于ANSYS Workbench的液壓支架立柱優(yōu)化分析［J］.礦山機(jī)械，2011（7）［4］ 徐祖輝，樊軍，李吉堂等.?500缸徑液壓支架立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2011（1）

［5］ 周娟利，崔淑英.基于ABAQUS的液壓支架立柱有限元靜力學(xué)分析［J］.煤礦機(jī)械，2010（8）

［6］ 張新語.ZY9000/26/55型液壓支架立柱強(qiáng)度的研究［J］.煤礦機(jī)械，2009（8）

Finite element analysis on hydraulic support column of?380mm

Liu Jianying1，Chen Jing1，Zhao Liping2
（1.Department of Mechanical Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou，Henan 450007，China；2.Zhengzhou Coal Mining Machinery Manufacturing Technical School，Zhengzhou，Henan 450013，China）

According to the national standards on hydraulic support column，the numerical simulation was carried out in terms of the strength of hydraulic support column of?380mm under 1.5and 1.1 times of rated axial loading and buckling behavior under eccentric loading with a distance of 30mm to the center.A 3Dmodel was set up and the stress deformation and the stress distribution were obtained，providing a theoretical basis for the design of hydraulic support columns.

hydraulic support，stress of column，numerical simulation，finite element analysis

TD355.47

A

劉建英（1973－），女，山西大同人，碩士，講師，在讀博士，主要從事機(jī)械方面的教學(xué)及研究工作，從事煤礦機(jī)械的研究。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）