DWX型液壓支柱頂蓋的有限元分析與研究

李愛民， 陳元， 慈蕾

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院，江蘇徐州221116；2.中國石油天然氣管道局第二工程公司，江蘇徐州221008）

DWX型液壓支柱頂蓋的有限元分析與研究

李愛民1， 陳元2， 慈蕾2

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院，江蘇徐州221116；2.中國石油天然氣管道局第二工程公司，江蘇徐州221008）

對DWX型液壓支柱的頂蓋在中心和偏心載荷下的受力進行了分析。使用有限元分析軟件得出中心載荷下鉸接頂蓋的應(yīng)力狀態(tài)，分析在中心載荷和偏載下銷頭螺栓的受力情況。

液壓支柱；頂蓋；應(yīng)力；有限元

0 引言

單體液壓支柱屬于煤礦單體支護設(shè)備，主要用于高檔普采工作面的頂板支護和綜采工作面的端頭支護。我國1960年代開始研究單體液壓支柱，單體液壓支柱具有許多優(yōu)點，在回采工作面的使用，促進了安全生產(chǎn)，降低了輔助材料的消耗，取得了良好的效果。DWX型液壓支柱是經(jīng)過十余年時間研制出的最新單體支護產(chǎn)品，該產(chǎn)品系國家發(fā)明和實用新型專利技術(shù)。DWX型液壓支柱主要部件包括活柱、油缸、手把閥體、頂蓋、密封蓋、底座和復(fù)位彈簧等，其中密封蓋、活柱、油缸、底座和手把閥體形成密封腔體。當支柱處于工作狀態(tài)時，密封腔體內(nèi)充滿高壓液體作用在密封蓋上形成懸浮力，分擔了支柱的大部分工作阻力；與油缸重合的活柱體部分浸在工作介質(zhì)中呈懸浮狀態(tài)，因此稱這種支柱為柱塞懸浮式液壓支柱。

單體液壓支柱頂蓋是將頂板巖石壓力傳遞到支柱上的部件，即支柱對頂板的支撐必須通過頂蓋來進行，頂蓋為頂板壓力的直接承載部件。常用的頂蓋有3種類型：球面形頂蓋、鉸接頂蓋和柱帽。由于液壓支柱承載受壓的工作阻力全部直接作用在鉸接頂蓋上，因此有必要了解頂蓋的應(yīng)力狀態(tài)。本文在對頂蓋進行受力分析的基礎(chǔ)上，使用有限元分析軟件對頂蓋進行應(yīng)力分析。

1 頂蓋的結(jié)構(gòu)與受力

DWX型液壓支柱采用的是鉸接頂蓋，結(jié)構(gòu)如圖1所示，鉸接頂蓋與活柱體之間通過銷頭螺栓3連接。

1.1 中心載荷下頂蓋的受力

液壓支柱中心承載的狀態(tài)下，鉸接頂蓋的受力如圖2所示。支柱的工作阻力P依靠活柱體和液壓懸浮力共同承擔，因此銷頭螺栓在中心載荷的條件下基本不受力，在結(jié)構(gòu)中起連接作用。巖石壓力作用于鉸接頂蓋，傳遞至活柱體，圖2中f1即為活柱體分擔的支柱工作阻力對頂蓋的作用；同時，在液體壓力的作用下，密封蓋將與鉸接頂蓋密切接觸，液體對密封蓋的作用力形成懸浮力，則懸浮力分擔了其余的支柱工作阻力，圖2中f2即為懸浮力通過密封蓋對頂蓋的作用。

圖1 頂蓋結(jié)構(gòu)

圖2 中心載荷下頂蓋受力

在支柱密封腔高壓液體壓力p的作用下，可以認為f1、f2在作用的環(huán)形面內(nèi)均勻分布。頂板底板與活柱體之間為間隙配合，因此二者之間無相互作用力。根據(jù)對活柱體的受力分析可知，f1的大小等于液體內(nèi)壓p；f2可按下式計算：

式中，S0為密封蓋的底面積；S1為密封蓋與頂蓋的接觸面積。

1.2 偏心載荷下頂蓋的受力

液壓支柱承受偏心載荷時，鉸接頂蓋的受力如圖3所示。除中心載荷下的作用力f1、f2外，由于載荷偏離中心而產(chǎn)生彎矩 Me作用，圖3中的偏心作用產(chǎn)生的彎矩使頂蓋的右邊部分產(chǎn)生上移趨勢，而左邊部分產(chǎn)生下移趨勢，銷頭螺栓因此承受剪力，作用在頂蓋上如圖示F1、F2；同側(cè)偏心下液壓支柱中存在橫向力Q作用，以鉸接頂蓋為分析對象時，橫向力為Q、Q′。液壓支柱受壓承載后發(fā)生變形，因此產(chǎn)生的附加彎矩較小可忽略不計。

圖3 偏心載荷下頂蓋的受力

根據(jù)力與彎矩的平衡及銷頭螺栓的分布位置可得：

式中，h、d如圖3所示，S2為活柱體截面面積。由式（2）可得F1、F2的大小。

2 頂蓋的應(yīng)力及分析

2.1 頂蓋的實體模型與材料參數(shù)

圖4 鉸接頂蓋實體模型

鉸接頂蓋是由頂蓋底板、銷釘和球形支座等組成。建立100缸徑DWX型液壓支柱的鉸接頂蓋和球形支座的零件模型，并組合在一起如圖4所示，在模型中忽略了頂蓋頂板上的柱爪、倒角等結(jié)構(gòu)。液壓支柱在井下使用一段時間后，球形支座與頂蓋底板容易卡在一起，因此進行有限元分析時按照圖4中二者之間的相對位置進行分析。

頂蓋底板和球形支座是35鋼鍛件，材料的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27，經(jīng)熱處理后，材料的強度極限為565 MPa，屈服極限為300 MPa。

2.2 中心載荷下頂蓋的應(yīng)力

根據(jù)液壓支柱的工作條件，鉸接頂蓋受巖石壓力作用，其頂部在X、Y、Z三方向的位移受到約束，因此限制鉸接頂蓋頂部在X、Y、Z方向的移動自由度；由鉸接頂蓋在中心載荷下的受力分析，施加作用在鉸接頂蓋分布力f1和f2。

Pro/MECHANICA（簡稱Pro/M）是美國PTC開發(fā)的有限元軟件，可以實現(xiàn)和Pro/ENGINEER（簡稱Pro/E）三維設(shè)計軟件完全無縫的集成。

在Pro/M軟件中設(shè)定頂蓋的材料參數(shù)、位移約束和載荷條件，建立并運行鉸接頂蓋的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，在分析的過程中生成鉸接頂蓋的網(wǎng)格如圖5所示。以Fringe的方式顯示鉸接頂蓋組件中頂蓋底板和球形支柱的合成應(yīng)力如圖6所示。

圖5 鉸接頂蓋的網(wǎng)格劃分

2.3 結(jié)果分析

由圖6可以看出，中心載荷狀態(tài)下的鉸接頂蓋，頂蓋底板與球形支座接觸處的應(yīng)力略大，其余部分的應(yīng)力均很小。不計頂蓋底板局部的應(yīng)力集中，其最大合成應(yīng)力大約為168MPa，遠小于材料的強度極限及屈服極限，因此中心載荷下頂蓋底板有足夠的強度。球形支座局部的應(yīng)力較大，巖石壓力作用下球形支座局部的變形不會影響液壓支柱的正常使用。

圖6 中心載荷下頂蓋底板與球形支座的應(yīng)力

根據(jù)對鉸接頂蓋中心載荷下的受力和有限元分析、以及偏心載荷的受力分析，可以得出如下結(jié)論：1）在中心載荷下，液壓支柱鉸接頂蓋不會出現(xiàn)強度問題，球形支座承載后的局部變形不會影響液壓支柱的正常使用。2）液壓支柱處于中心載荷狀態(tài)時，連接鉸接頂蓋和活柱體的銷頭螺栓基本不受力的作用；而在偏心載荷下，因偏心產(chǎn)生彎矩而承受一定的軸向力。3）中心載荷下，鉸接頂蓋的大部分應(yīng)力較小，因此在液壓支柱使用中應(yīng)盡量采取措施減小載荷的偏心程度。

3 結(jié)語

本文對DWX型液壓支柱的鉸接頂蓋中心和偏心載荷下的受力了進行分析，對鉸接頂蓋的受力分析可以看出，中心載荷下銷頭螺栓不受力的作用；液壓支柱的鉸接頂蓋在中心載荷下無強度問題，其局部變形不會影響液壓支柱的正常使用。

［1］ 李炳文，朱冬梅，馬顯通，等.柱塞懸浮式單體液壓支柱［J］.中國礦業(yè)大學學報，2003（5）：587-589.

［2］ 陳世其.DWX型單體液壓支柱動態(tài)特性的研究［D］.西安：西安理工大學，2004.

［3］ Toogood R.Pro/MECHANICA Structure-Student Edition Tutorial［M］.Schroff Development Corporation Publications，2001.

［4］ 胡海峰.基于實體的有限元建模技術(shù)［J］.機械，2003（5）：78-80.

（編輯：啟 迪）

Finite Element Analysis&Research of the DWX-type Hydraulic Prop Header

LI Aimin1,CHEN Yuan2,CI Lei2
（1.Jiangsu Institute of Architectural Technology,Xuzhou 221116,China;2.The 2nd Pipeline Construction Company of China Petroleum Pipeline Bureau,Xuzhou 221008,China）

The stress of Hydraulic Prop header is analyzed under the center-loaded and eccentric-loaded condition. Finite element analysis of hydraulic prop header is carried out to analyze the header stress under the center-loaded condition.The stress of bolt under the center-loaded and eccentric-loaded condition is analyzed.

hydraulic prop;header;stress;finite element

TP 391.7

A

1002－2333（2014）04－0147－02

李愛民（1976—），男，講師，碩士，主要從事機電一體化產(chǎn)品的研發(fā)與教學工作。

2014-01-20