ZY12000/28/62D 掩護(hù)式液壓支架立柱有限元分析研究

郭海軍

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046699）

引言

立柱作為液壓支架的重要組成部分，其工作行程將會(huì)直接影響整體液壓支架的工作狀態(tài)和工作效率。結(jié)合實(shí)際情況來看，在綜采工作面生產(chǎn)施工中，液壓支架相關(guān)生產(chǎn)事故大多由立柱和千斤頂失效、失穩(wěn)等因素引起。因此，對立柱進(jìn)行有限元分析，探尋出一種最適用于立柱性能分析的有限元分析方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決立柱存在的安全隱患，避免引發(fā)更為嚴(yán)重的問題，降低安全風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)成本，保護(hù)生產(chǎn)人員及設(shè)備的安全，有著一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 液壓支架立柱類型及結(jié)構(gòu)

液壓支架作為煤礦綜采工作面中一種常用液壓動(dòng)力裝備，其主要作用是支撐工作面頂板，保證工作面安全性以及推移采運(yùn)設(shè)備不斷移動(dòng)?，F(xiàn)階段，市面上各類液壓支架種類相對較多，對所有液壓支架種類進(jìn)行歸納匯總后，可將其大致劃分為掩護(hù)式液壓支架、支撐式液壓支架以及支撐掩護(hù)式液壓支架三大類，不同液壓支架之間的實(shí)際結(jié)構(gòu)雖然存在一定差異，但實(shí)際立柱結(jié)構(gòu)卻大致相同。通常情況下，液壓支架立柱類型可以歸納為單伸縮立柱、機(jī)械加長桿單伸縮立柱、雙伸縮立柱以及三伸縮立柱四大類。本文將以雙伸縮立柱中的ZY12000/28/62D 掩護(hù)式液壓支架立柱為例對液壓支架立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析介紹，具體立柱結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZY12000/28/62D 掩護(hù)式液壓支架立柱結(jié)構(gòu)

2 液壓支架立柱模型構(gòu)建

2.1 立柱結(jié)構(gòu)簡化

ZY12000/28/62D 掩護(hù)式液壓支架立柱作為雙伸縮立柱，其主體結(jié)構(gòu)大致可分為底液壓缸、中液壓缸、導(dǎo)向套、活柱等部分，除以上主體結(jié)構(gòu)外，立柱還存在大量細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，所以若是完全根據(jù)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型構(gòu)建，不僅會(huì)浪費(fèi)大量的模型構(gòu)建時(shí)間，而且還會(huì)對后續(xù)液壓支架立柱有限元分析效率及效果造成影響，嚴(yán)重的甚至可能會(huì)引發(fā)因計(jì)算機(jī)運(yùn)行資源不足而停止運(yùn)算的情況。因此，在模型構(gòu)建前，需要對立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，具體簡化內(nèi)容如下：

1）由于立柱焊縫強(qiáng)度高于殼體強(qiáng)度，所以可簡化焊縫；

2）立柱中存在部分受力影響較小的孔、接頭的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行適當(dāng)忽略；

3）根據(jù)立柱工作特點(diǎn)，將立柱上下腔內(nèi)液體視作為不流動(dòng)靜流體，并忽略液體入口和出口接頭部分；

4）底座和底液壓缸視作為一個(gè)整體，忽略接頭部分；

5）將導(dǎo)向環(huán)、密封環(huán)、擋圈等部分均視作為導(dǎo)向套整體的一部分；

6）一級活塞、中液壓缸、底閥、外部卡鍵、支撐閥視作為一個(gè)整體。

2.2 立柱模型構(gòu)建

基于液壓支架立柱結(jié)構(gòu)簡化內(nèi)容，合理構(gòu)建各部分模型，并將所構(gòu)建出的模型進(jìn)行合理裝配，最終所獲取到的液壓支架立柱模型如下頁圖2 所示。

圖2 液壓支架立柱模型

2.3 含液伸縮立柱模型構(gòu)建

由于研究中還需要進(jìn)行流固耦合分析，所以還需要以上文所構(gòu)建的液壓支架立柱模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步構(gòu)建含液雙伸縮立柱模型，由此來有效避免液壓支架立柱模型中液體部分與固體部分相互重疊，保障模型有限元分析的精準(zhǔn)性。

3 液壓支架立柱有限元分析

有限元分析需要先將1/4 立柱模型導(dǎo)入ANSYS軟件，然后設(shè)置模型單元屬性，但由于后續(xù)研究中還需要開展流固耦合分析，所以在模型單元設(shè)置時(shí)還需要對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行綜合考慮。最終在綜合分析后選擇SOLID185 單元。

在選擇模型單元后，為保障模型分析效率及精度，還需要開展網(wǎng)格劃分。常用的網(wǎng)格劃分方式包括自由劃分、映射劃分以及混合劃分，本研究中為提高計(jì)算速度，保障精算進(jìn)度，最終選用混合劃分方式，劃分結(jié)束后獲取單元數(shù)為100590 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為42349個(gè)，具體模型如圖3 所示。

圖3 液壓支架立柱1/4 網(wǎng)格模型

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

基于液壓支架立柱1/4 網(wǎng)格模型，通過ANSYS軟件利用直接法進(jìn)行計(jì)算求解，進(jìn)而獲取到的求解結(jié)果如圖4 所示。

圖4 液壓支架立柱的應(yīng)力云圖和位移云圖

由圖4 可知，液壓支架立柱的最大應(yīng)力點(diǎn)位于中液壓缸中部偏上位置，最大應(yīng)力值為742.382 MPa；液壓支架立柱的最大位移點(diǎn)位于活柱底部位置，最大位移量為1.25213 mm。

如圖5 所示，液壓支架立柱底液壓缸的最大應(yīng)力點(diǎn)位于底液壓缸與中液壓缸連接處的內(nèi)表面位置，最大應(yīng)力值為604.455 MPa；液壓支架立柱底液壓缸的最大位移點(diǎn)位于底液壓缸與中液壓缸連接處的內(nèi)表面上端區(qū)域，最大位移量為0.600774 mm。

圖5 液壓支架立柱底液壓缸的應(yīng)力云圖和位移云圖

中液壓缸、活柱等部位的有限元分析過程與底液壓缸的有限元分析過程大致相同，兩者的最大應(yīng)力點(diǎn)分別位于底液壓缸與中液壓缸連接處的內(nèi)表面位置、活柱底部，最大應(yīng)力值分別為742.493 MPa、453.954 MPa；同時(shí)兩者的最大位移點(diǎn)分別位于中液壓缸底部和活柱底部，最大位移量分別為0.937776 mm、1.253314 mm。

3.2 流固耦合有限元分析

基于液壓支架立柱1/4 網(wǎng)格模型，通過ANSYS軟件利用直接法進(jìn)行計(jì)算求解，進(jìn)而獲取到的求解結(jié)果如表1 所示。

表1 流固耦合有限元分析結(jié)果對比表

4 有限元分析方法的實(shí)踐應(yīng)用效果分析

結(jié)合有限元分析結(jié)果來看，相對來說，流固耦合有限元分析中對液壓支架立柱含液情況下的應(yīng)力和位移進(jìn)行充分考慮，所以相對于無液分析來說含液有限元分析結(jié)果更接近力學(xué)計(jì)算結(jié)果，更具有參考價(jià)值。因而在實(shí)施液壓支架有限元模型分析中，應(yīng)優(yōu)先選用流固耦合有限元分析方法。基于此研究結(jié)果，將流固耦合有限元分析方法應(yīng)用于液壓支架立柱檢驗(yàn)工程實(shí)踐中，最終發(fā)現(xiàn)此種方法相較于傳統(tǒng)方法更易發(fā)現(xiàn)立柱中存在的安全隱患，對其液壓支架立柱設(shè)計(jì)優(yōu)化及檢修分析均有著一定參考價(jià)值[1-4]。

5 結(jié)語

通過有限元模型分析發(fā)現(xiàn)，相對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析方法來說，流固耦合有限元分析方法更符合力學(xué)計(jì)算特征，所以在后續(xù)液壓支架立柱設(shè)計(jì)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)中應(yīng)優(yōu)先采用流固耦合有限元分析方法。同時(shí)，為進(jìn)一步驗(yàn)證此結(jié)果的有效性，研究中還開展工程實(shí)踐，并在實(shí)踐中有效鑒證流固耦合有限元分析方法的有效性。