新国标液压支架立柱结构有限元分析研究

新国标液压支架立柱结构有限元分析研究*

陈戈，秦东晨

(郑州大学，河南 郑州 450001)

摘要：研究了GB25974.2-2010《液压支架立柱技术条件》要求下的立柱强度有限元分析方法，对有限元模型的建立进行了讨论，并针对ZY12000/25/50D液压支架的双伸缩立柱的三种压架工况分别进行了实例有限元分析。

关键词：立柱；强度；有限元分析

中图分类号：TH137

收稿日期：*2015-04-15

作者简介：陈戈(1982-)，男，河南郑州人，工程师，主要从事液压支架设计研究。

0前言

立柱是液压支架最重要的支撑部件，其承载能力直接决定着支架的工作性能，大多数的液压支架损坏均和立柱失效有关。液压支架用立柱通常额定压力在40MPa左右，压力等级属于超高压。随着近几年液压支架工作阻力的大幅度提高，φ400mm、φ420mm、φ450mm、φ500mm大缸径规格立柱相继研发成功，更高的性能和可靠性成为设计人员设计研究的新目标。矿井下条件恶劣，安全生产重于泰山，对液压支架用立柱的结构强度进行深入的分析和研究，对整个液压支架的设计具有指导作用。

1立柱受力情况分析

根据国标GB25974.2-2010《液压支架立柱技术条件》要求，立柱应满足下面两种情况：

(1)中心过载性能

立柱全部伸出，能承受1.5倍的中心额定载荷；

立柱全部收回，能承受2倍的中心额定载荷。

(2)偏心加载性能

立柱全部伸出，能承受偏心额定载荷。

本文以ZY12000/25/50D型掩护式支架使用的φ400mm缸径双伸缩立柱为例，对立柱的强度进行分析。

2立柱有限元模型的建立

有限元模型是进行有限元分析的计算模型或数学模型，是理论模型的一种离散近似。有限元建模是有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度和计算量的大小。

(1)几何模型

在Creo中分别建立实例立柱的活柱、中缸、外缸以及导向套的三维模型，然后按照零件装配的约束关系将其装配到一起。避免各零件的安装干涉，如果有零件模型干涉被导入到有限元模型中，将会导致网格的奇异化，使得有限元分析无法求解。计算实例的双伸缩立柱在保证模型不失真的前提下，忽略了一些孔槽结构，以便于有限元模型建立和求解。用于分析的立柱模型如图1所示。

图1　Φ400双伸缩立柱分析模型

(2)单元及网格

网格数量将影响计算结果的精度和计算时间的长短。一般来讲，较多的网格数量可以得到较精确的解，但是当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格，对求解结果精度提高就不再明显，而且计算时间也会大幅度增加。

计算实例立柱结构复杂，特别是导向套和缸筒的接触位置以及一些不规则的实体，为保证计算结果精度，这些部位必须细分网格。而对结果较为简单的部位(如缸筒)，应减少网格数量，可以划分相对稀疏的网格。

(3)接触面的设置

由于立柱是由活柱、中缸、外缸和导向套等多个零件组合而成的，所以在进行有限元分析时必须设置各零件之间接触面的关系，否则将无法进行计算。在仿真导航器中，对立柱各零件间的接触面按照“曲面间接触”进行设置,对于焊缝与零件母材间的接触面按照“曲面间粘合”进行设置。

(4)正确处理边界条件

在结构分析中正确地处理各种边界条件才能得到正确的分析结果。

载荷、载荷作用点与反作用点：经常存在载荷情况不明确的情况，这时就需要认真分析零件的受力，从而总结出合理的等效载荷情况。

约束：实际结构的边界约束和许多因素有关，一般十分复杂，建立真实情况的约束非常困难，需要仔细研究。

φ400双伸缩立柱有限元模型的边界条件处理的难点在导向套和缸体的关系上，建立的有限元模型通过建立数学接触关系，进行了相应处理，即可顺利实现求解，也符合立柱的实际运行状况。

(5)有限元模型的计算及后处理

经过有限元软件的综合检查，如无问题提示，就可进行解算。分析计算结果将以直观和彩色的图形化方式显示，其中包含了节点和单元的分析结果。

在Workbench的后处理中，模型可以智能地显示出应力的最大值和最小值以及相应的位置区域，同时通过云图的颜色我们可以判断出其各种结果的分布范围，从而可以直观地对立柱的危险区域有一个感性认识。

31.5倍载荷立柱伸出

(1)材料属性

φ400双伸缩立柱缸体材料为30CrMnSi，导向套材料为42CrMo，材料属性见表1。

表1　立柱结构材料属性

(2)边界条件

5米支架φ400双伸缩立柱行程S=2427mm，以最大全行程为计算条件；

额定工作阻力6000kN，以1.5×6000=9000kN轴向对中加载为计算条件；

额定工作压力为P=47.78MPa，外缸加载47.78×1.5=71.67MPa，中缸的液体压力为136.35MPa；

外缸顶端约束固定位移约束；

焊缝与母材之间选用“粘连非重合”设置，零件与零件之间选用“自由重合”设置。

(3)计算结果分析

计算结果见图2和表2。

图2　1.5倍载荷立柱应力云图

位置应力点应力值(MPa)外缸内壁点1497点2484.14点3485.45平均489中缸内壁点1579点2587点3589平均585活柱点1171.1点2171.09点3171.07平均171

42倍载荷立柱收回

由于立柱收回时，仅活柱和外缸和中缸缸底受力，故只分析活柱受力即可。

(1)材料属性

φ400双伸缩立柱结构材料为30CrMnSi，材料属性见表1。

(2)边界条件

额定工作阻力6000kN，以2×6000=12000kN轴向对中加载为计算条件；

活柱柱塞端底部约束固定位移约束。

(3)计算结果分析

计算结果见图3和表3。

图3　2倍载荷立柱应力云图

位置应力点应力值(MPa)活柱点1228.01点2228.12点3228.12点4228.13平均228

51.1倍偏心载荷立柱伸出

(1)材料属性

φ400双伸缩立柱缸体材料为30CrMnSi，导向套材料为42CrMo，材料属性见表1。

(2)边界条件

5米支架φ400双伸缩立柱行程S=2427mm，以最大全行程为计算条件。

额定工作阻力6000kN，以1.1×6000=6600kN轴向对中加载为计算条件。

额定工作压力为P=47.78MPa，外缸加载47.78×1.1=52.558MPa，中缸的液体压力为100MPa。

外缸顶端和活柱顶端按照压架要求添加垫块,见图4。

焊缝与母材之间选用“粘连非重合”设置，零件与零件之间选用“自由重合”设置。

图4　Φ400双伸缩立柱添加垫块

(3)计算结果分析

计算结果见图5和表4。

图5　立柱应力云图

位置应力点应力值(MPa)外缸内壁点1356点2340点3354平均350中缸内壁点1451点2447点3439平均446活柱点1240点2228点3217平均228

6结论

分析结果发现， ZY12000/25/50D掩护式支架的φ400mm缸径双伸缩立柱

满足设计强度要求。通过对标准压架工况进行研究，立柱进行三维建模并有限元分析，可以得到直观的立柱应力分布情况，对于立柱的设计具有指导意义。

(责任编辑吕春红)

参考文献：

[1] 王国法,赵志礼,王晓东,等. 中华人民共和国国家标准.GB25974.2-2010煤矿用液压支架第2部分：立柱和千斤顶技术条件[S]. 北京:中国标准出版社, 2010.

[2]王国法，等. 高端液压支架及先进制造技术[M]. 北京：煤炭工业出版社，2010.

[3] 郑晓雯,李锦彪,刘颖,等. 基于ANSYS Workbench的液压支架立柱优化分析[J]. 矿山机械， 2011(7)：24-27.

[4] 徐祖辉，樊军，李吉堂，等. φ500缸径液压支架立柱的优化设计[J]. 煤矿机械,2011.

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