單體液壓支柱底座的有限元分析與研究

李愛(ài)民,李炳文

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州221008)

單體液壓支柱底座的有限元分析與研究

李愛(ài)民1,李炳文2

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州221008)

基于單體液壓支柱底座體與油缸之間的兩種連接結(jié)構(gòu)方式,探討了外包式和內(nèi)嵌式連接結(jié)構(gòu)對(duì)油缸產(chǎn)生的作用及對(duì)液壓支柱密封性能的影響,應(yīng)用Pro/MECHANCA Wildfire軟件對(duì)單體液壓支柱筒體和底座體進(jìn)行了有限元分析.結(jié)果表明:外包式連接結(jié)構(gòu)密封性能優(yōu)于內(nèi)嵌式連接結(jié)構(gòu),且底座體具有足夠的強(qiáng)度.

單體液壓支柱;應(yīng)力;有限元分析;變形;密封性能

單體液壓支柱屬于煤礦單體支護(hù)設(shè)備,主要用于高檔普采工作面的頂板支護(hù)和綜采工作面的端頭支護(hù)[1].其主要部件包括活柱、油缸、手把閥體、鉸接頂蓋、密封蓋、底座和復(fù)位彈簧等.液壓支柱底座與油缸、活柱等部件一起形成支柱密封腔,以容納支柱工作時(shí)的高壓液體,并且頂板壓力通過(guò)底座體直接作用在底板上,因此底座體具有防止液體泄漏以及傳遞頂板壓力的作用.為了防止漏液,在底座體與油缸之間設(shè)有密封裝置,該處的密封性能必然影響著整個(gè)支柱的安全性及工作性能.本文基于底座體與油缸之間的兩種連接結(jié)構(gòu),探討了連接結(jié)構(gòu)對(duì)油缸產(chǎn)生的作用及對(duì)液壓支柱密封性能的影響,并對(duì)底座體應(yīng)力狀態(tài)和強(qiáng)度進(jìn)行了分析.

1 底座與油缸筒體的連接結(jié)構(gòu)

按照底座與油缸筒體之間的連接方式,其連接結(jié)構(gòu)可分為兩種：一種是底座體在油缸筒體底部的外部,二者之間用連接鋼絲連接、用O形密封圈密封,即底座體外包容油缸,故稱外包式底座結(jié)構(gòu),如圖1所示;另一種連接結(jié)構(gòu)亦用鋼絲連接、O形密封圈密封,與前一種不同的是底座體在油缸筒體的內(nèi)部,即底座體內(nèi)嵌于油缸,故稱內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu),如圖2所示.

圖1 外包式底座結(jié)構(gòu)Fig.1 Outer base structure

圖2 內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)Fig.2 Insert base structure

2 底座與油缸之間的受力分析

2.1 外包式底座結(jié)構(gòu)油缸筒體的受力分析

由于機(jī)加工原因,底座與油缸的配合面之間存在一定的間隙.為了防止工作中的液體泄漏,二者之間用O形密封圈進(jìn)行密封[2].

底座、油缸筒體的受力狀態(tài)與二者之間的間隙量有關(guān).假設(shè)油缸筒體配合面在受內(nèi)壓且外表面無(wú)約束狀態(tài)下的徑向變形量為Δr,二者之間的間隙量為δ.若δ＜Δr,則油缸筒體的徑向變形受外部底座體的約束,二者接觸處產(chǎn)生接觸應(yīng)力p j,密封面受O形密封圈擠壓變形產(chǎn)生接觸應(yīng)力p m,油缸筒體底部受力如圖3(a)所示;若δ≥Δr,油缸筒體與底座之間無(wú)接觸應(yīng)力存在,僅存在O形密封圈擠壓變形產(chǎn)生的接觸應(yīng)力p m,油缸筒體底部受力如圖3(b)所示.

圖3 外包式底座體、油缸的受力Fig.3 Stress of outer base and cylinder

另外,在支柱的工作過(guò)程中,油缸筒體承受一定的軸向拉力的作用(見(jiàn)圖3).軸向力通過(guò)連接鋼絲傳遞給底座并作用于底板.底座體和油缸筒體與連接鋼絲之間徑向有一定的間隙,因此徑向不受連接鋼絲的作用力.

2.2 內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)油缸筒體的受力分析

內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2所示)中的底座體厚度較大,其外表面的徑向變形量非常小,可視為無(wú)徑向變形,因此內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)中的底座體與油缸筒體的配合表面無(wú)接觸應(yīng)力存在,油缸筒體底部的受力如圖4所示(P m為密封面受O形密封圈擠壓變形產(chǎn)生的接觸應(yīng)力,P為支柱工作中的內(nèi)壓).

內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)中的油缸受軸向力的作用(見(jiàn)圖4).連接鋼絲對(duì)底座體和油缸的作用同上.

圖4 內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)中油缸的受力Fig.4 Stress of cylinder of insert base

3 油缸筒體的變形分析

本文使用Pro/MECHANCA Wildfire軟件[3],以Φ100缸徑系列DWX06型單體液壓支柱為例,進(jìn)行油缸筒體變形的有限元計(jì)算分析.

3.1 外包式底座結(jié)構(gòu)中油缸筒體的變形

1)載荷的分析與計(jì)算.在支柱工作狀態(tài),油缸筒體的內(nèi)壓為P.對(duì)于O形密封圈傳遞的壓力大小與預(yù)應(yīng)力有關(guān)[4];根據(jù)O形圈密封的原理可知Pm＞P,分析時(shí)假設(shè)P m為P.油缸筒體的頂部受手把閥體的約束,手把閥體與油缸筒體之間的配合及密封狀態(tài)和油缸筒體底部與底座體之間的相同,按照同樣的方式處理.

2)材料的參數(shù).油缸使用的材料為27SiMn合金鋼[5],該材料的彈性模量為206 GPa,泊松比0.3;底座體材料采用45#鋼,材料彈性模量為200 GPa,泊松比0.27.

3)建立油缸筒體模型并對(duì)其進(jìn)行有限元分析.根據(jù)單體液壓支柱油缸筒體受力和油缸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),取油缸筒體1/4建立模型,并按照軸對(duì)稱平面問(wèn)題對(duì)模型進(jìn)行處理.

在MECHANICA模塊中[6],通過(guò)下拉菜單或工具條設(shè)定油缸筒體的模型類型,選擇材料相應(yīng)常數(shù)、位移約束條件,以及施加的載荷,并建立靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析.在模型自動(dòng)劃分網(wǎng)格過(guò)程中,選擇單元類型為三角形和四邊形的混合形式,在分析的過(guò)程中以劃分網(wǎng)格的方式運(yùn)行模型分析.

4)模型分析結(jié)果.分析結(jié)果表明,油缸筒體與底座體之間存在接觸應(yīng)力時(shí),油缸筒體的徑向變形以放大40倍并以單元網(wǎng)格的方式顯示,如圖5所示;以同樣的方式,顯示二者之間無(wú)接觸應(yīng)力時(shí)油缸筒體的徑向變形,如圖6所示.

圖5 外包式底座結(jié)構(gòu)中油缸筒體的徑向變形(δ＜Δr)Fig.5 Radical deformation of cylinder barrel of outer base structure(δ＜Δr)

圖6 外包式底座結(jié)構(gòu)中油缸筒體的徑向變形(δ≥Δr)Fig.6 Radical deformation of cylinder barrel of outer base structure(δ≥Δr)

圖5中,底座體與油缸筒體密封面處的徑向變形量為0.025～0.033 mm;圖6中,底座與油缸筒體密封面處的徑向變形量為0.051～0.059 mm.

3.2 內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)中油缸筒體的變形

按照上述步驟,建立內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)的油缸筒體的模型、設(shè)定材料常數(shù)、施加位移及載荷約束,建立并運(yùn)行分析.內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)中油缸筒體的變形如圖7所示(圖中變形放大40倍).其底座與油缸筒體密封面處的徑向變形量為0.042～0.058 mm.

圖7 內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)中油缸筒體的徑向變形Fig.7 Radical deformation of cylinder barrel of insert base structure

3.3 有限元模型運(yùn)行結(jié)果分析

根據(jù)上述運(yùn)行結(jié)果,外包式底座結(jié)構(gòu)的油缸筒體在壓力的作用下產(chǎn)生0.025～0.033 mm或0.051～0.059 mm的徑向變形.由圖1可知,油缸筒體的徑向變形直接擠壓O形密封圈,迫使O形密封圈與油缸筒體和底座體的接觸更加緊密,相互之間的接觸應(yīng)力Pm增大;根據(jù)O形密封圈密封原理,接觸應(yīng)力P越大則越有利于配合面的密封.若O形密封圈因長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生磨損,油缸筒體的徑向膨脹還可以補(bǔ)償磨損量;即使是頂板突然來(lái)壓的情況,O形密封圈也能有效地起到密封作用.另一方面,因外包式底座結(jié)構(gòu)中的密封點(diǎn)為外置,若該處出現(xiàn)密封失效而泄漏的情況,便于直接觀察并進(jìn)行及時(shí)處理.

內(nèi)嵌式底座結(jié)構(gòu)的油缸筒體在內(nèi)壓的作用下,產(chǎn)生0.042～0.058 mm的徑向變形.該變形量雖小,但對(duì)高壓下密封效果的影響卻不可忽視.由于液壓支柱反復(fù)使用,油缸筒體的疲勞彈性回復(fù)能力逐漸變差,筒體的徑向變形和O形密封圈的磨損使得密封圈與底座體和油缸筒體之間的接觸應(yīng)力變小,密封難免失效而發(fā)生泄漏.在頂板突然來(lái)壓時(shí),油缸筒體的徑向變形量更大,則更難以保證密封面的密封.同時(shí),在該結(jié)構(gòu)中,因底座體與油缸筒體之間的密封點(diǎn)是內(nèi)置的,支柱在工作中產(chǎn)生的泄漏難以發(fā)現(xiàn),因而既不方便支柱的維護(hù),也帶來(lái)了安全隱患.

顯然,在O形密封圈的密封效果上,外包式底座連接結(jié)構(gòu)優(yōu)于內(nèi)嵌式底座連接結(jié)構(gòu).

4 外包式底座連接結(jié)構(gòu)中底座體的應(yīng)力分析

4.1 底座體的受力

由外包式底座結(jié)構(gòu)中油缸筒體底部的受力分析,可知底座體的受力狀態(tài),如圖8所示.圖中字母表示的意義同上,圖8(a)為δ＜Δr時(shí)底座體的受力狀態(tài);圖8(b)為δ≥Δr時(shí)底座體的受力狀態(tài).

圖8 外包式底座結(jié)構(gòu)中底座體的受力Fig.8 Stress of base in outer base structure

4.2 底座體的應(yīng)力分析

底座體的材料為45#鋼,屈服極限為441 MPa.忽略底座體上安裝連接鋼絲的缺口,建立實(shí)體模型.由于底座體的高度、壁厚尺寸不是很大,頂面上的倒角影響底座體應(yīng)力分布,因此在建立底座體實(shí)體模型時(shí),不能忽略.為避免產(chǎn)生應(yīng)力集中,底座體孔的內(nèi)表面與其底面之間應(yīng)有一定的圓角;底座體的底面接觸底板,因此約束其底面的位移.按照?qǐng)D8所示底座體的受力情況施加載荷.建立并運(yùn)行底座體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析,在運(yùn)行分析的過(guò)程中采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格.以單元網(wǎng)格的形式顯示底座體的合成應(yīng)力分布,如圖9所示.

4.3 結(jié)果分析

由圖9可以看出,不計(jì)局部的應(yīng)力集中,其最大合成應(yīng)力小于150 MPa,不超過(guò)許用應(yīng)力,因此底座體有足夠的強(qiáng)度;圖9(b)中底座體合成應(yīng)力遠(yuǎn)小于圖9(a)中的合成應(yīng)力,表明當(dāng)?shù)鬃w與油缸筒體之間的間隙較大時(shí),有利于底座體的受力,在兩種受力情況下都能保證密封性能.

圖9 底座體的合成應(yīng)力Fig.9 Resulting stress of base

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了單體液壓支柱兩種底座體與油缸筒體之間的連接結(jié)構(gòu),對(duì)兩種連接結(jié)構(gòu)中油缸筒體的受力和變形進(jìn)行了探討,并應(yīng)用有限元軟件分析了油缸筒體的變形對(duì)O形密封圈密封性能的影響,得出外包式底座結(jié)構(gòu)更有利于密封、采用外包式底座結(jié)構(gòu)的液壓支柱更為安全的結(jié)論.同時(shí),通過(guò)對(duì)底座體的有限元分析,所得到的應(yīng)力分布情況證明了底座體具有足夠的強(qiáng)度.

[1] 周建強(qiáng),王歡.基于CAE技術(shù)的單體液壓支柱油缸部件分析[J].煤礦機(jī)械,2012(6)：122- 124.

[2] 李炳文,朱冬梅,馬顯通,等.柱塞懸浮式單體液壓支柱[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(5)：587- 589.

[3] 李炳文,朱冬梅,趙莉,等.單體液壓支柱的改進(jìn)與特點(diǎn)[J].礦山機(jī)械,2003(8)：78

[4] 刑富康,劉玉堂,趙莉,等.煤礦支護(hù)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1993：947- 1022.

[5] 周建強(qiáng),王歡.基于CAE技術(shù)的單體液壓支柱油缸部件分析[J].煤礦機(jī)械,2012(6)：122- 124.

Finite element analysis and study on base of single hydraulic prop

LI Ai-min1,LI Bing-wen2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Based on two connection ways of single hydraulic prop base and cylinder,this paper discusses the effect of insert and outer connection structures on the cylinder and sealing property of hydraulic prop,and carries out finite element analysis on the barrel and base of single hydraulic prop using Pro/MECHANCA Wildfire.Results show that outer connection structure has better sealing property and maintain security than insert connection structure,and the base has sufficient strength.

single hydraulic prop;stress;finite element analysis;deformation;sealing property

TD 355.3

A

2095- 3550(2014)03- 0027- 03

2014- 04- 21

李愛(ài)民,男,江蘇徐州人,講師,碩士.

E- mail：liaimin928@126.com

(責(zé)任編輯:趙國(guó)淮)