超高端液壓支架立柱強(qiáng)度性能有限元分析?

高有進(jìn)梁承元謝德東楊文明陳學(xué)東

(1.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司,河南省鄭州市,450013; 2.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北省武漢市,430074)

超高端液壓支架立柱強(qiáng)度性能有限元分析?

高有進(jìn)1梁承元2謝德東2楊文明1陳學(xué)東2

(1.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司,河南省鄭州市,450013; 2.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北省武漢市,430074)

為了準(zhǔn)確和全面把握超高端液壓支架的大缸徑雙伸縮型立柱的強(qiáng)度性能,在充分考慮了焊縫和導(dǎo)向環(huán)等關(guān)鍵細(xì)節(jié)組件受載特性的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了立柱有限元模型。通過靜態(tài)中心過載壓縮性能及偏心加載性能的仿真分析,指出了立柱在活柱的結(jié)構(gòu)連接部位易產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力,并且在中缸和活柱底端可能出現(xiàn)導(dǎo)向環(huán)、動(dòng)密封與缸體脫離接觸。

液壓支架 雙伸縮立柱 有限元分析 關(guān)鍵細(xì)節(jié)組件 應(yīng)力

1 引言

在中厚煤層采用大采高成套綜采裝備,對保證生產(chǎn)安全和實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)具有重要意義。近年來,由于綜采采高的不斷提升,對液壓支架提出了高工作阻力、超大采高(大于7 m)和高可靠性(結(jié)構(gòu)件90000次,立柱千斤頂6萬次)等超高端技術(shù)目標(biāo)。為了滿足超高端液壓支架超大采高下的高工作阻力技術(shù)要求,液壓支架立柱往往采用大缸徑雙伸縮的結(jié)構(gòu)形式,以提供足夠的伸長量和支撐力。一方面,通過增加立柱壁厚等關(guān)鍵尺寸提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)手段受到安裝空間等因素的限制;另一方面,高支撐力帶來的缸內(nèi)極高液壓對立柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。在大伸長量的情況下,因載荷偏心和波動(dòng)造成的立柱漲缸、翹曲及由此帶來的局部應(yīng)力過大、密封與接觸導(dǎo)向失效等問題已不容忽視。如何準(zhǔn)確和全面地評估立柱強(qiáng)度性能并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,是保證液壓支架立柱設(shè)計(jì)成果安全可靠的關(guān)鍵。雖然常見的液壓支架立柱結(jié)構(gòu)CAE仿真分析方法能整體估算立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,但是在模型簡化過程中忽略導(dǎo)向環(huán)、密封圈以及焊縫等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的受載特性,無法準(zhǔn)確地反映立柱關(guān)鍵部位的應(yīng)力狀態(tài)以及評估缸內(nèi)密封性能,難以達(dá)到理想效果。

為此,本文以超高端液壓支架的大缸徑雙伸縮型立柱為對象,參照中國標(biāo)準(zhǔn)GB 25974.2－2010《煤礦用液壓支架第2部分:立柱和千斤頂技術(shù)條件》與歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1804－2:2002《井下采礦用機(jī)器對液壓支架的安全性要求第2部分:立柱和千斤頂》中的立柱靜態(tài)中心過載壓縮性能及偏心加載性能的測試檢驗(yàn)方法,在分析試驗(yàn)條件下立柱受載狀態(tài)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建考慮焊縫、導(dǎo)向套、密封圈和導(dǎo)向環(huán)等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征的立柱有限元模型,并通過靜態(tài)中心過載壓縮和偏心加載仿真試驗(yàn),分析立柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)和密封性能,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

2 立柱結(jié)構(gòu)介紹

立柱外缸、中缸以及活柱的缸壁與底部采用焊接方式連接。導(dǎo)向套通過矩形螺紋結(jié)構(gòu)安裝于外缸和中缸缸口。導(dǎo)向套、中缸以及活柱的底端外壁面均開有淺槽,用于裝嵌導(dǎo)向環(huán)和動(dòng)密封,實(shí)現(xiàn)中缸和活柱軸向相對運(yùn)動(dòng)表面間的接觸導(dǎo)向,并防止高壓腔液體向低壓腔泄漏。大缸徑雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大缸徑雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)

3 立柱承載分析與有限元建模

根據(jù)GB 25974.2－2010與EN1804－2:2002中的相關(guān)規(guī)定,在1.5倍額定載荷壓縮的內(nèi)加載測試工況下,外缸和中缸內(nèi)底面邊界處易出現(xiàn)應(yīng)力集中,而活柱可能會(huì)因結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生局部過大接觸應(yīng)力。外缸和中缸的焊縫承受徑向均布?jí)毫?而活柱焊縫需傳遞全部軸向壓力。外缸、中缸以及活柱的徑向膨脹變形程度不同,可能造成中缸與外缸以及活柱與中缸之間的徑向間隙擴(kuò)大,導(dǎo)致中缸和活柱底端的導(dǎo)向環(huán)接觸與動(dòng)密封作用失效。

在全縮回2倍額定載荷壓縮測試中,活柱焊縫作為軸向壓力傳遞的必經(jīng)關(guān)節(jié)需承受全部壓縮載荷。除此之外,較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力還出現(xiàn)在外缸、中缸、活柱底部接觸面的幾何邊界及壓力傳遞路徑上因立柱結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的組件局部接觸部位。

在偏心加載性能測試中,偏心載荷產(chǎn)生的彎曲力矩不僅會(huì)使一、二級(jí)缸在缸口處產(chǎn)生較大撓曲變形,迫使包括焊縫和導(dǎo)向套在內(nèi)的缸體結(jié)構(gòu)承受撓曲力矩,而且會(huì)影響一、二級(jí)缸口導(dǎo)向套及中缸、活柱底端的導(dǎo)向環(huán)、密封的接觸作用,產(chǎn)生局部較大應(yīng)力。

根據(jù)上述分析,為了準(zhǔn)確地分析立柱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)力分布和變形情況,在有限元建模時(shí),需保留一、二級(jí)活塞腔與活柱腔相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)(如內(nèi)壁面倒角、徑向間隙等),細(xì)分導(dǎo)向套、導(dǎo)向環(huán)、密封圈以及焊縫等組件的網(wǎng)格,并合理設(shè)置其與主體結(jié)構(gòu)的接觸和連接關(guān)系。

因此,立柱外缸、中缸和活柱的主體結(jié)構(gòu)采用掃描的方式生成六面體為主的規(guī)則網(wǎng)格。而焊縫則采用實(shí)體單元單獨(dú)創(chuàng)建網(wǎng)格,并與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)。一、二級(jí)缸體與導(dǎo)向套相接觸,摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。導(dǎo)向環(huán)、防塵圈、密封采用實(shí)體單元建模,與安裝槽內(nèi)側(cè)壁固連,并與缸壁或活柱接觸。導(dǎo)向環(huán)、密封與缸壁或活柱間的摩擦系數(shù)取0.04,防塵圈與缸壁或活柱間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.2,以在仿真過程中保證導(dǎo)向環(huán)、防塵圈、密封與缸壁或活柱間的軸向相對滑動(dòng)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)徑向接觸力傳遞,并能模擬因徑向間隙擴(kuò)大造成的脫離接觸。立柱有限元模型如圖2所示。

圖2 大缸徑雙伸縮立柱有限元模型

立柱中外缸、中缸和活柱的缸體主結(jié)構(gòu)使用材料為30Cr MnSi,導(dǎo)向套使用材料為30Cr Mo,外缸底部與活柱頂端的柱窩使用材料為ZG30Cr06A。缸體主結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向套、焊縫、柱窩及其安裝支座采用理想彈塑性非線性材料模型,而動(dòng)密封、靜密封、導(dǎo)向環(huán)、O型圈和防塵圈等密封件采用線彈性材料模型。主要結(jié)構(gòu)材料屬性見表1。

表1 立柱主要結(jié)構(gòu)材料屬性MPa

在仿真設(shè)置時(shí),可根據(jù)立柱試驗(yàn)承載力計(jì)算出一、二級(jí)缸中活塞腔和活柱缸內(nèi)液壓,以均布?jí)毫d荷形式施加于相關(guān)區(qū)域的邊界表面,用以模擬內(nèi)加載工況,并根據(jù)柱窩－窩座的接觸深度和軸向偏心壓載的大小和作用位置,施加相應(yīng)的固定約束和集中力載荷。

4 仿真分析結(jié)果

3.1 1.5倍額定載荷壓縮仿真分析

立柱的一級(jí)缸活塞腔試驗(yàn)加載為1.5×45.86 MPa＝68.79 MPa;二級(jí)缸活塞腔試驗(yàn)加載可通過一級(jí)缸與二級(jí)缸的有效推力作用面積比換算得到,仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出,外缸、中缸以及活柱徑向變形不一,造成中缸外壁面與外缸內(nèi)壁面、活柱外壁面與中缸內(nèi)壁面之間的徑向間隙擴(kuò)大。在中缸、活柱底端,徑向間隙的擴(kuò)大使導(dǎo)向環(huán)與內(nèi)壁面脫離接觸,造成該處導(dǎo)向作用失效。

圖3 活柱近底部的導(dǎo)向環(huán)與中缸內(nèi)壁脫離接觸

圖4 活柱缸筒與柱頭連接部位產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力

中缸內(nèi)底面倒角處出現(xiàn)應(yīng)力集中,達(dá)598.9 MPa;立柱主體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力區(qū)域發(fā)生在中缸內(nèi)壁面,為654.8 MPa;活柱軸向受壓變形,使在缸筒與底塞、柱頭連接部位發(fā)生局部結(jié)構(gòu)接觸,產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力,達(dá)674.839 MPa,均接近立柱結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度。而焊縫和導(dǎo)向套等其他結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部分的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度。

3.2 全縮回2倍額定載荷壓縮仿真分析

在活柱頂端沿立柱軸線施加集中力載荷,大小為18000 k N,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 活柱缸筒與底塞連接部位產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力

由圖5可見,作為壓力載荷傳遞路徑的必經(jīng)環(huán)節(jié),立柱實(shí)例的活柱、中缸底部、外缸底部存在高應(yīng)力區(qū)域。其中,外缸底部最大應(yīng)力為391.0 MPa;中缸底部最大應(yīng)力為543.5 MPa,接近中缸結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度;而在活柱缸筒與底塞、柱頭連接部分因結(jié)構(gòu)的局部接觸導(dǎo)致較大的局部應(yīng)力,達(dá)674.753 MPa,相同區(qū)域的焊縫最大應(yīng)力達(dá)622.2 MPa,接近活柱結(jié)構(gòu)與焊縫材料的屈服強(qiáng)度。

3.3 偏心加載仿真分析

在立柱偏心加載仿真中,活柱頂端按0.3 R偏心量沿立柱軸線平行方向施加額定力載荷9000 k N,仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 活柱缸筒與柱頭連接部位的較大局部應(yīng)力

由圖6可見,在翹曲力矩作用下,立柱結(jié)構(gòu)在一、二級(jí)活塞腔相關(guān)區(qū)域、活柱頂端及外缸底部柱窩的接觸部分存在高應(yīng)力,但立柱結(jié)構(gòu)主要部位和焊縫的應(yīng)力均處于安全范圍內(nèi)。而在活柱缸筒與柱頭連接部分因結(jié)構(gòu)的局部接觸導(dǎo)致較大的局部應(yīng)力達(dá)794.222 MPa,已超出活柱結(jié)構(gòu)材料的屈服強(qiáng)度。

3.4 分析結(jié)論

根據(jù)上述仿真結(jié)果,活柱缸筒與底塞和柱頭連接部分應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改,消除因結(jié)構(gòu)變形造成的過大局部接觸應(yīng)力;外缸和中缸底部結(jié)構(gòu)的幾何特征過渡邊界盡可能使用圓角過渡,減小應(yīng)力集中;適當(dāng)增大外缸和中缸壁厚或優(yōu)化缸筒結(jié)構(gòu),增大徑向剛度,避免發(fā)生塑性漲缸變形,防止因徑向間隙擴(kuò)大產(chǎn)生導(dǎo)向和密封失效。

5 結(jié)語

本文參照標(biāo)準(zhǔn)GB 25974.2－2010與EN1804－2:2002中的關(guān)于立柱靜態(tài)中心過載壓縮性能及偏心加載性能的測試檢驗(yàn)方法,構(gòu)建了超高端液壓支架的大缸徑雙伸縮型立柱的有限元模型,在模型中充分考慮了焊縫和導(dǎo)向環(huán)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的受載特性。通過仿真分析,指出該型立柱的活柱組件連接部分易因結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生較大局部接觸應(yīng)力;導(dǎo)向環(huán)和動(dòng)密封存在與缸體脫離接觸以及導(dǎo)致密封與導(dǎo)向作用失效的可能,為立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

[1] 夏護(hù)國.7m大采高液壓支架關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2011(11)

[2] 徐祖輝,樊軍,李吉堂等.?500 mm缸徑液壓支架立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2011(1)

[3] 趙宏珠,宋秋爽.特大采高液壓支架發(fā)展與研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007(3)

[4] 張志清,趙忠輝.液壓支架試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].煤礦機(jī)械,2011(12)

[5] Xuewen Wang et.al.Stress analysis and stability analysis on doubly-telescopic prop of hydraulic support [J].Engineering Failure Analysis,2013(6)

[6] 陳靜.液壓支架強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2014

[7] 劉建英,陳靜,趙麗萍.?380mm液壓支架立柱的有限元分析[J].中國煤炭,2012(4)

Finite element strength analysis on doubly-telescopic legs of ultra-advanced hydraulic support

Gao Youjin1,Liang Chengyuan2,Xie Dedong2,Yang Wenming1,Chen Xuedong2
(1.Zhengzhou Coal Mining Machinery Group Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan 450013,China; 2.State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,Hubei 430074,China)

In this paper,the finite element model of a doubly-telescopic leg of ultra-advanced large mining-height hydraulic support was established for exhaustive and accurate strength analysis,with the consideration of stress situation of key components such as welds and guide rings. The simulation analysis of legs under static center-overload or eccentric load showed that the larger contact stress easily formed at structural connections in mobile column,which possibly caused the non-contact of guide rings and dynamic sealant with cylinder body.

hydraulic support,doubly-telescopic leg,finite element analysis,key components,stress

TD355.4

A

高有進(jìn)(1963－),男,河南輝縣人,教授級(jí)高級(jí)工程師,2008年于華中科技大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)任鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司副總經(jīng)理、總工程師,主要從事煤礦機(jī)械研究。

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

鄭州市重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(131PZDZX006)