液壓支架立柱的虛擬強度試驗研究

周麗麗

(淮北煤電技師學院，安徽 淮北 235000)

引言

立柱是液壓支架的主要承載部件，其強度大小直接決定液壓支架的安全性和可靠性。立柱的室內型式試驗是在綜合了礦壓、立柱實際使用條件、支護系統特征等因素對立柱承載能力進行的試驗。本文利用虛擬試驗方法，模擬立柱的型式試驗，對試驗方法進行了研究，為立柱的室內型式試驗提供數據參考。

1.立柱結構介紹及分析模型的建立

本文研究對象是ZY6800/19/40A 型掩護式支架采用的雙伸縮式立柱，主要由外缸體、中缸體、活柱組件和缸口導向組件四部分組成，如圖1 所示。外缸體1、中缸體2、活柱3 組成立柱的雙伸縮結構，導向套4、5 分別裝配在中缸體及活柱外圓面，支撐和保證立柱動作過程中外缸體、中缸體、活柱三者之間的同軸度。

在建立立柱的分析模型之前，對立柱模型進行簡化，原則如下:(1)由于焊縫強度一般不低于母材強度，因此在強度分析時忽略焊縫的影響;(2)簡化零件的加工工藝結構，忽略對立柱受力影響不大的零件，如吊環、管夾、密封圈、防塵圈等;(3)為了使虛擬強度試驗中邊界和外載荷條件與立柱型式試驗的要求保持一致，對雙伸縮立柱結構進行分割和粘結處理，以便于試驗時約束的加載。建立完成的立柱試驗模型如圖2 所示。

圖2 立柱的試驗模型

2.虛擬強度試驗的前處理

立柱的虛擬強度試驗過程主要包括材料屬性的定義及分配、裝配關系的處理、網格的劃分、載荷的施加及邊界條件的定義。本文研究的雙伸縮立柱主要由合金結構鋼27SiMn 的無縫鋼管加工而成，在有限元分析平臺Ansys Workbench 中定義27SiMn 的材料屬性，并將其分配給立柱模型。

2.1 立柱裝配關系的處理

立柱的裝配關系主要分為三類，分別為外缸筒與缸底的連接，缸體與導向套的連接，導向套與缸口的連接。在ANSYS Workbench 中，零件間的連接關系以接觸的形式進行處理，包括粘結接觸、不分離接觸、無摩擦接觸、粗糙接觸、有摩擦接觸。根據立柱各零件裝配關系的實際情況以及各接觸型式的具體作用，處理方法如下:

(1)外缸筒和缸底的連接

外缸筒和缸底的連接形式為焊接連接式，在焊縫質量得到保證的前提下，焊縫強度不低于母材，因此在焊接位置均使用粘結接觸。

(2)缸體與導向套的連接

導向套在立柱升降時起導向作用，與各接觸表面既要緊密接觸又要動作靈活，同時要承受一定的橫向載荷，因此將導向套外圓面與各缸體內圓面間的接觸設置成有摩擦的接觸，摩擦系數設置為0.2。

(3)導向套與缸口的連接

導向套與缸口連接方式為卡環連接，卡環嵌套在缸筒上，在立柱完全伸展時，承受著液壓支架工作阻力與外載荷之間的差值。進行虛擬強度試驗時，立柱完全伸展，且卡環處于靜止狀態，因此設置卡環與各接觸零件之間為不分離接觸。

由于立柱模型相對簡單，本文采用自動劃分法進行網格劃分，以減少網格數量，快速完成對模型的高質量網格劃分。

2.2 定義載荷和邊界條件

本文對兩種工作狀態下的立柱進行分析，(1)立柱全行程伸出，用內加載的方法加1.5 倍的中心載荷;(2)立柱全行程伸出，用內加載的方法加額定壓力偏心載荷。

(1)立柱中心過載性能試驗

根據GB 25974.1-2010 《煤礦用液壓支架通用技術條件》標準第二部分立柱和千斤頂技術條件規定，在進行立柱的中心過載性能試驗時，需將兩端固定，因此虛擬強度試驗中設置立柱兩端約束為固定約束，同時設置加載壓力為1.5 倍的中心載荷。立柱設計工作阻力為42.3/81.9MPa，1.5 倍的額定載荷為63.45/122.85MPa。本文采用內加載的方式將壓力施加到相應的載荷面上，以模擬乳化液在立柱全行程伸出時對立柱內表面的液力作用。

(2)立柱偏心加載性能試驗

在立柱的偏心加載性能試驗中，按照圖3 所示的偏心量，加載額定載荷。為了便于約束的施加，建立仿真模型時，在距離活柱中心線0.3R 位置處建立一截面。進行偏心加載試驗時，加載壓力為額定壓力。額定載荷為1.1 倍的工作阻力，即46.53/90.9Mpa。根據試驗要求，本文在活柱柱頭以及缸底分別建立并添加了墊塊，對墊塊施加固定約束，然后以內加載的方式將載荷施加到墊塊端面上，加載情況如圖3 所示。

圖3 立柱偏心加載示意圖

圖4 立柱中心過載試驗應力云圖

3.分析結果

圖4 所示為立柱中心過載的情況下應力云圖，中缸體內表面應力較大，應力水平在550MPa—600MPa，外缸體內表面應力水平在380MPa—410MPa，活柱應力水平在 75MPa—100MPa，均低于材料屈服極限，說明立柱中心過載性能良好。

4.分析結果

圖5 所示為立柱偏心加載情況下的應力云圖，中缸體內表面應力較大，應力水平在350MPa—400MPa，外缸內表面應力水平在250MPa—280MPa，活柱應力水平在45MPa—65MPa，均低于材料屈服極限，說明立柱偏心加載性能良好。

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