新國標(biāo)液壓支架立柱結(jié)構(gòu)有限元分析研究*

陳戈，秦東晨

(鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

摘要：研究了GB25974.2-2010《液壓支架立柱技術(shù)條件》要求下的立柱強(qiáng)度有限元分析方法，對有限元模型的建立進(jìn)行了討論，并針對ZY12000/25/50D液壓支架的雙伸縮立柱的三種壓架工況分別進(jìn)行了實(shí)例有限元分析。

關(guān)鍵詞：立柱；強(qiáng)度；有限元分析

中圖分類號：TH137

收稿日期：*2015-04-15

作者簡介：陳戈(1982-)，男，河南鄭州人，工程師，主要從事液壓支架設(shè)計(jì)研究。

0前言

立柱是液壓支架最重要的支撐部件，其承載能力直接決定著支架的工作性能，大多數(shù)的液壓支架損壞均和立柱失效有關(guān)。液壓支架用立柱通常額定壓力在40MPa左右，壓力等級屬于超高壓。隨著近幾年液壓支架工作阻力的大幅度提高，φ400mm、φ420mm、φ450mm、φ500mm大缸徑規(guī)格立柱相繼研發(fā)成功，更高的性能和可靠性成為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)研究的新目標(biāo)。礦井下條件惡劣，安全生產(chǎn)重于泰山，對液壓支架用立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行深入的分析和研究，對整個液壓支架的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

1立柱受力情況分析

根據(jù)國標(biāo)GB25974.2-2010《液壓支架立柱技術(shù)條件》要求，立柱應(yīng)滿足下面兩種情況：

(1)中心過載性能

立柱全部伸出，能承受1.5倍的中心額定載荷；

立柱全部收回，能承受2倍的中心額定載荷。

(2)偏心加載性能

立柱全部伸出，能承受偏心額定載荷。

本文以ZY12000/25/50D型掩護(hù)式支架使用的φ400mm缸徑雙伸縮立柱為例，對立柱的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

2立柱有限元模型的建立

有限元模型是進(jìn)行有限元分析的計(jì)算模型或數(shù)學(xué)模型，是理論模型的一種離散近似。有限元建模是有限元分析過程的關(guān)鍵，模型合理與否將直接影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算量的大小。

(1)幾何模型

在Creo中分別建立實(shí)例立柱的活柱、中缸、外缸以及導(dǎo)向套的三維模型，然后按照零件裝配的約束關(guān)系將其裝配到一起。避免各零件的安裝干涉，如果有零件模型干涉被導(dǎo)入到有限元模型中，將會導(dǎo)致網(wǎng)格的奇異化，使得有限元分析無法求解。計(jì)算實(shí)例的雙伸縮立柱在保證模型不失真的前提下，忽略了一些孔槽結(jié)構(gòu)，以便于有限元模型建立和求解。用于分析的立柱模型如圖1所示。

圖1　Φ400雙伸縮立柱分析模型

(2)單元及網(wǎng)格

網(wǎng)格數(shù)量將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算時間的長短。一般來講，較多的網(wǎng)格數(shù)量可以得到較精確的解，但是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格，對求解結(jié)果精度提高就不再明顯，而且計(jì)算時間也會大幅度增加。

計(jì)算實(shí)例立柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是導(dǎo)向套和缸筒的接觸位置以及一些不規(guī)則的實(shí)體，為保證計(jì)算結(jié)果精度，這些部位必須細(xì)分網(wǎng)格。而對結(jié)果較為簡單的部位(如缸筒)，應(yīng)減少網(wǎng)格數(shù)量，可以劃分相對稀疏的網(wǎng)格。

(3)接觸面的設(shè)置

由于立柱是由活柱、中缸、外缸和導(dǎo)向套等多個零件組合而成的，所以在進(jìn)行有限元分析時必須設(shè)置各零件之間接觸面的關(guān)系，否則將無法進(jìn)行計(jì)算。在仿真導(dǎo)航器中，對立柱各零件間的接觸面按照“曲面間接觸”進(jìn)行設(shè)置,對于焊縫與零件母材間的接觸面按照“曲面間粘合”進(jìn)行設(shè)置。

(4)正確處理邊界條件

在結(jié)構(gòu)分析中正確地處理各種邊界條件才能得到正確的分析結(jié)果。

載荷、載荷作用點(diǎn)與反作用點(diǎn)：經(jīng)常存在載荷情況不明確的情況，這時就需要認(rèn)真分析零件的受力，從而總結(jié)出合理的等效載荷情況。

約束：實(shí)際結(jié)構(gòu)的邊界約束和許多因素有關(guān)，一般十分復(fù)雜，建立真實(shí)情況的約束非常困難，需要仔細(xì)研究。

φ400雙伸縮立柱有限元模型的邊界條件處理的難點(diǎn)在導(dǎo)向套和缸體的關(guān)系上，建立的有限元模型通過建立數(shù)學(xué)接觸關(guān)系，進(jìn)行了相應(yīng)處理，即可順利實(shí)現(xiàn)求解，也符合立柱的實(shí)際運(yùn)行狀況。

(5)有限元模型的計(jì)算及后處理

經(jīng)過有限元軟件的綜合檢查，如無問題提示，就可進(jìn)行解算。分析計(jì)算結(jié)果將以直觀和彩色的圖形化方式顯示，其中包含了節(jié)點(diǎn)和單元的分析結(jié)果。

在Workbench的后處理中，模型可以智能地顯示出應(yīng)力的最大值和最小值以及相應(yīng)的位置區(qū)域，同時通過云圖的顏色我們可以判斷出其各種結(jié)果的分布范圍，從而可以直觀地對立柱的危險區(qū)域有一個感性認(rèn)識。

31.5倍載荷立柱伸出

(1)材料屬性

φ400雙伸縮立柱缸體材料為30CrMnSi，導(dǎo)向套材料為42CrMo，材料屬性見表1。

表1　立柱結(jié)構(gòu)材料屬性

(2)邊界條件

5米支架φ400雙伸縮立柱行程S=2427mm，以最大全行程為計(jì)算條件；

額定工作阻力6000kN，以1.5×6000=9000kN軸向?qū)χ屑虞d為計(jì)算條件；

額定工作壓力為P=47.78MPa，外缸加載47.78×1.5=71.67MPa，中缸的液體壓力為136.35MPa；

外缸頂端約束固定位移約束；

焊縫與母材之間選用“粘連非重合”設(shè)置，零件與零件之間選用“自由重合”設(shè)置。

(3)計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見圖2和表2。

圖2　1.5倍載荷立柱應(yīng)力云圖

位置應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值(MPa)外缸內(nèi)壁點(diǎn)1497點(diǎn)2484.14點(diǎn)3485.45平均489中缸內(nèi)壁點(diǎn)1579點(diǎn)2587點(diǎn)3589平均585活柱點(diǎn)1171.1點(diǎn)2171.09點(diǎn)3171.07平均171

42倍載荷立柱收回

由于立柱收回時，僅活柱和外缸和中缸缸底受力，故只分析活柱受力即可。

(1)材料屬性

φ400雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)材料為30CrMnSi，材料屬性見表1。

(2)邊界條件

額定工作阻力6000kN，以2×6000=12000kN軸向?qū)χ屑虞d為計(jì)算條件；

活柱柱塞端底部約束固定位移約束。

(3)計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見圖3和表3。

圖3　2倍載荷立柱應(yīng)力云圖

位置應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值(MPa)活柱點(diǎn)1228.01點(diǎn)2228.12點(diǎn)3228.12點(diǎn)4228.13平均228

51.1倍偏心載荷立柱伸出

(1)材料屬性

φ400雙伸縮立柱缸體材料為30CrMnSi，導(dǎo)向套材料為42CrMo，材料屬性見表1。

(2)邊界條件

5米支架φ400雙伸縮立柱行程S=2427mm，以最大全行程為計(jì)算條件。

額定工作阻力6000kN，以1.1×6000=6600kN軸向?qū)χ屑虞d為計(jì)算條件。

額定工作壓力為P=47.78MPa，外缸加載47.78×1.1=52.558MPa，中缸的液體壓力為100MPa。

外缸頂端和活柱頂端按照壓架要求添加墊塊,見圖4。

焊縫與母材之間選用“粘連非重合”設(shè)置，零件與零件之間選用“自由重合”設(shè)置。

圖4　Φ400雙伸縮立柱添加墊塊

(3)計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見圖5和表4。

圖5　立柱應(yīng)力云圖

位置應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值(MPa)外缸內(nèi)壁點(diǎn)1356點(diǎn)2340點(diǎn)3354平均350中缸內(nèi)壁點(diǎn)1451點(diǎn)2447點(diǎn)3439平均446活柱點(diǎn)1240點(diǎn)2228點(diǎn)3217平均228

6結(jié)論

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)， ZY12000/25/50D掩護(hù)式支架的φ400mm缸徑雙伸縮立柱

滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。通過對標(biāo)準(zhǔn)壓架工況進(jìn)行研究，立柱進(jìn)行三維建模并有限元分析，可以得到直觀的立柱應(yīng)力分布情況，對于立柱的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

(責(zé)任編輯呂春紅)

參考文獻(xiàn)：

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The FEA Analysis Research of New National Standard for Hydraulic Support Leg Structure

CHEN Ge,et al

(Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

Abstract:The study of leg intensity FEA analysis method under GB25974.2-2010“hydraulic support leg technical requirements”, and discussion on the FEA modeling. Then directed towards ZY12000/25/50D hydraulic support’s double telescopic leg under three types of fatigue testing on practical FEA.

Key words:leg; intensity; finite element analysis