?380mm液壓支架立柱的有限元分析

劉建英 陳 靜 趙麗萍

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

依據國內制定的有關液壓支架立柱技術條件的相關標準，對?380mm立柱的1.5倍額定軸心載荷強度分析和1.1倍額定載荷、偏心30mm屈曲分析進行計算機模擬仿真。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立柱應力變形以及應力分布模擬狀況，為立柱的設計提供了理論依據。

液壓支架 立柱應力 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節構件，它除了要具有較高的承載能力外，還應有較大的伸縮行程，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計和制造的關鍵，它的設計合理與否直接影響到整個液壓支架的質量和使用效果。目前，指導大缸徑立柱的設計方法主要依靠經驗，理論計算研究不夠深入。因此，本文依據MT313－1992標準，采用有限元分析的方法對?380mm立柱的強度和穩定性進行分析，為立柱的設計提供參考依據。

1 立柱數學模型的建立

?380mm立柱結構復雜，設計模型不能直接進行有限元分析，需要對其結構進行合理簡化。去除不受力的立柱附件以及對主體結構受力影響小的倒角、孔槽和溝槽結構，最終得到立柱有限元數學簡化模型如圖1所示。

簡化后的模型真實反應了該立柱結構的整體原貌，最大程度地保證了原結構的空間幾何關系。局部孔槽的簡化僅影響局部應力，對整體結構無明顯影響，不會使分析結果失真。

2 1.5倍額定軸心載荷強度分析

2.1 分析類型

立柱簡化后為軸對稱結構，所以靜態分析采用“2D簡化”選項，簡化后模型如圖2所示。

圖2 主柱2D靜態分析簡化模型

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，屈服強度835MPa，抗拉強度980MPa。

2.3 約束

立柱的工作狀態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接觸。在有限元分析里，需要對真實的接觸情況進行簡化，在立柱靜態分析約束中，柱窩底面設定為“固定”約束，柱窩與缸底球面設定為“無穿透”約束，導向套與缸體設定為“無穿透”約束。

2.4 載荷

對外缸內部施加均勻壓力，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學模型離散化，確保缸壁處至少分布3層單元。導向套處采用2mm單元進行網格控制，網格大小以1.3倍遞增，劃分成功后，單元總數為1.45萬。2D模擬的網格數量較少，所以采用軟件自帶的Direct Spar解算器進行解算。

2.6 分析結果

圖3 立柱整體應力圖解

立柱整體應力分析結果如圖3所示。從圖3可以看出，立柱的中缸缸壁內側應力為591MPa，為最大有效應力。安全系數n＝835/591＝1.41＞1.2，立柱強度符合MT313－1992標準要求。

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，所以應該對立柱進行整體分析，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，全局接觸設定為“無穿透”約束，外缸缸底球面設定為“球面”約束。導向套處采用銷約束替代，旋轉自由度設為0，不限定徑向自由度。

3.3 載荷

根據MT313－1992標準要求，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學模型離散化。劃分成功后，單元總數為70.4萬。采用軟件自帶的FFEPlus解算器進行解算。

3.5 分析結果

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，不會發生主柱屈曲，立柱符合MT313－1992標準要求。

圖5 立柱屈曲分析圖解

4 結論

本文依據國內制定的有關液壓支架立柱的試驗標準（MT313－1992），選取了1.5倍額定軸心載荷強度及1.1倍額定載荷、偏心30mm屈曲進行計算機模擬仿真和有限元分析。通過對該立柱模擬仿真，得出了?380mm液壓支架立柱強度和穩定性均滿足試驗標準要求，這為液壓支架立柱的設計提供了理論依據。在實際的液壓支架立柱加載試驗中，可以以此模擬試驗的數據作為參考，在應力比較大的部位安置應變片，更有目的性地進行試驗。

［1］ 趙衡山.國內液壓支架試驗規范淺析［J］.煤炭科學技術，1997（3）

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

［3］ 鄭曉雯，李錦彪，劉穎等.基于ANSYS Workbench的液壓支架立柱優化分析［J］.礦山機械，2011（7）［4］ 徐祖輝，樊軍，李吉堂等.?500缸徑液壓支架立柱的優化設計［J］.煤礦機械，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分析［J］.煤礦機械，2010（8）

［6］ 張新語.ZY9000/26/55型液壓支架立柱強度的研究［J］.煤礦機械，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，主要從事機械方面的教學及研究工作，從事煤礦機械的研究。

（責任編輯 路 強）