基于SolidWorksSimulation的單體液壓支柱有限元分析

胡修坤 尹嬌 王長蕾

摘 要：單體液壓支柱是井巷支護中常見的一種承載裝備，目前已廣泛應用于礦井、隧道等工程建設中。論文首先建立了單體液壓支柱的三維模型并進行簡化，通過對單體液壓支柱整體結構進行強度分析，得到支柱在最大高度下在承載300KN、600KN、20mm偏心荷載等多種荷載工況下的應力分布情況，這為單體液壓支柱輕量化設計提供可靠的理論依據，對其結構的優化及提高使用壽命同樣有重要意義。

關鍵詞：單體液壓支柱;應力分析;有限元法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.058

1 引言

作為一種環保型的支護裝備，單體液壓支柱通常與金屬鉸接頂梁配套用于巷道的支護中，其具有支撐力大、結構簡單、重量輕、易于維修等優點，目前已廣泛應用在各類礦井、隧道等工程建設中。作為重要的支撐部件，它的強度對礦井支護的安全發揮著十分重要的作用，所以進行單體液壓支柱的應力分析對整體結構的優化和輕量化設計都有重要的現實意義。

2 結構及工作原理

單體液壓支柱主要由底座體、油缸、手把體、活塞、活柱體、鉸接頂蓋及密封件等部件組成，圖1所示為單體液壓支柱的三維模型剖視圖。它的工作原理是：首先，高壓液由通過活柱體上的三用閥注液進入油缸腔內，隨著油壓增大活柱體被推動向外伸，達到支撐高度后停止注液，利用液體壓力產生工作阻力，實現支柱伸縮達到升柱與卸載。

3 有限元模型的建立

單體液壓支柱的缸體材質選用27SiMn的無縫鋼管制作，該材料的彈性模量為190Gpa，泊松比0.3，屈服強度達到835Mpa。

3.1 模型簡化

在保證分析結果精度的前提下，為減小模型的復雜程度和計算量，提高有限元網格的劃分質量，需要對建立的三維模型進行適當的簡化，這包括：

（1）不考慮焊接對材料特性的影響，把焊縫簡化成與支柱材料相同的實體。

（2）去除復位彈簧、手把體、三用閥及密封件等非結構件，降低模型的復雜程度。

（3）忽略端蓋及油缸上的進出油口和螺紋接頭，消除結構上的應力集中。

（4）為便于網格的劃分、減少計算量，去掉所有零部件上的倒角及過渡圓角。

在圖2中，（a）（b）兩圖分別對應簡化前后的模型。

3.2 加載及約束

在單體液壓支柱的有限元靜力分析之前，需要對消除整個結構的剛體位移，結合單體液壓支柱的實際應用場景，把支柱底端設定位移為零的固定約束，并在油缸內部加載相應的油壓。按照設計要求，在支柱最大高度時進行額定阻力、強度試驗和偏心加載三種方式進行分析。根據支柱的型號選擇其設計工作阻力為300KN，強度試驗時工作阻力為600KN，加載的偏心距離為20mm。

為保證模型能夠按照順序接觸和傳遞應力，需要定義零部件之間定義其接觸情況。在Simulation中分別設定底座體、油缸及手把體和活塞、活柱體及鉸接頂蓋的部件之間接觸類型為“結合”，再設定活塞與手把體，活柱體與手把手之間的接觸類型為“無穿透”。此外，為保證模型的穩定性，對整個模型使用軟彈簧約束。

4 結果與結論

Solidworks軟件自動進行網格的劃分并計算，得到了支柱在不同工況載荷下的應力結果，如圖4所示。支柱在300KN和600KN兩種荷載工況下，其應力分布情況相似，可以看出應力自下而上的分布呈階梯狀，即油缸應力>活柱體下部應力>活柱體上部應力，而且在600KN荷載下油缸的最大應力為780Mpa，接近但并未達到屈服強度的極限，這也表明支柱滿足設計的強度要求。在20mm偏心荷載工況下，最大應力出現在三用閥安裝位置處，最大應力達到900Mpa，考慮到模型的簡化和應力集中，此處應力暫不考慮;而油缸和活柱體的應力為500Mpa左右，這遠小于屈服強度，所以支柱的整體結構在偏心荷載下安全可靠的。

通過單體液壓支柱的靜力分析中可以看出，支柱的最大應力始終在油缸上，所以整體支護的荷載大小是由支柱油缸的強度決定著;在礦井巷道的支護中，支柱的損壞最多的正是位于油缸與手把體連接處的密封件，這與分析的結果相符，說明本文對單體液壓支柱的建模和分析的正確性，分析結果是可靠的，同時這為支柱的輕量化設計指出方向，為后續的結構優化提供參考。

參考文獻：

[1]顧文卿.煤礦礦井支護新技術與支護設計計算及支護產品選型、設計、維護實用手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2011.

[2]二代龍震工作室.SolidWorks+Motion+Simulation建模/機構/結構綜合實訓教程（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3]孫廣義，馬云東.單體液壓支柱工作面支護可靠性研究[J].煤炭工程，2002（09）：32-34.

[4]陳世其，李炳文，趙繼云.沖擊載荷作用下DWX型單體液壓支柱內壓分析[J].煤炭學報，2008，33（06）：699-702.

[5]李炳文，朱冬梅，馬顯通.單體液壓支柱的現狀及存在的問題[J].煤炭科學技術，2003，31（04）：54-57.

[6]張立麗，趙波.單體液壓支柱研究的現狀與進展[J].新技術新工藝，2007（01）：28-30.

[7]李炳文，周玉萍，張濤.DWX型液壓支柱密封蓋的有限元分析[J].煤炭科學技術，2004，32（12）.

作者簡介：胡修坤（1987-），男，山東泰安人，碩士，工程師，從事煤礦設備的設計與研發工作。