基于SolidWorksSimulation的單體液壓支柱有限元分析

胡修坤 尹嬌 王長蕾

摘 要：單體液壓支柱是井巷支護(hù)中常見的一種承載裝備，目前已廣泛應(yīng)用于礦井、隧道等工程建設(shè)中。論文首先建立了單體液壓支柱的三維模型并進(jìn)行簡化，通過對單體液壓支柱整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到支柱在最大高度下在承載300KN、600KN、20mm偏心荷載等多種荷載工況下的應(yīng)力分布情況，這為單體液壓支柱輕量化設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)，對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及提高使用壽命同樣有重要意義。

關(guān)鍵詞：單體液壓支柱;應(yīng)力分析;有限元法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.058

1 引言

作為一種環(huán)保型的支護(hù)裝備，單體液壓支柱通常與金屬鉸接頂梁配套用于巷道的支護(hù)中，其具有支撐力大、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、易于維修等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在各類礦井、隧道等工程建設(shè)中。作為重要的支撐部件，它的強(qiáng)度對礦井支護(hù)的安全發(fā)揮著十分重要的作用，所以進(jìn)行單體液壓支柱的應(yīng)力分析對整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

單體液壓支柱主要由底座體、油缸、手把體、活塞、活柱體、鉸接頂蓋及密封件等部件組成，圖1所示為單體液壓支柱的三維模型剖視圖。它的工作原理是：首先，高壓液由通過活柱體上的三用閥注液進(jìn)入油缸腔內(nèi)，隨著油壓增大活柱體被推動(dòng)向外伸，達(dá)到支撐高度后停止注液，利用液體壓力產(chǎn)生工作阻力，實(shí)現(xiàn)支柱伸縮達(dá)到升柱與卸載。

3 有限元模型的建立

單體液壓支柱的缸體材質(zhì)選用27SiMn的無縫鋼管制作，該材料的彈性模量為190Gpa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度達(dá)到835Mpa。

3.1 模型簡化

在保證分析結(jié)果精度的前提下，為減小模型的復(fù)雜程度和計(jì)算量，提高有限元網(wǎng)格的劃分質(zhì)量，需要對建立的三維模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕@包括：

（1）不考慮焊接對材料特性的影響，把焊縫簡化成與支柱材料相同的實(shí)體。

（2）去除復(fù)位彈簧、手把體、三用閥及密封件等非結(jié)構(gòu)件，降低模型的復(fù)雜程度。

（3）忽略端蓋及油缸上的進(jìn)出油口和螺紋接頭，消除結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中。

（4）為便于網(wǎng)格的劃分、減少計(jì)算量，去掉所有零部件上的倒角及過渡圓角。

在圖2中，（a）（b）兩圖分別對應(yīng)簡化前后的模型。

3.2 加載及約束

在單體液壓支柱的有限元靜力分析之前，需要對消除整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛體位移，結(jié)合單體液壓支柱的實(shí)際應(yīng)用場景，把支柱底端設(shè)定位移為零的固定約束，并在油缸內(nèi)部加載相應(yīng)的油壓。按照設(shè)計(jì)要求，在支柱最大高度時(shí)進(jìn)行額定阻力、強(qiáng)度試驗(yàn)和偏心加載三種方式進(jìn)行分析。根據(jù)支柱的型號(hào)選擇其設(shè)計(jì)工作阻力為300KN，強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)工作阻力為600KN，加載的偏心距離為20mm。

為保證模型能夠按照順序接觸和傳遞應(yīng)力，需要定義零部件之間定義其接觸情況。在Simulation中分別設(shè)定底座體、油缸及手把體和活塞、活柱體及鉸接頂蓋的部件之間接觸類型為“結(jié)合”，再設(shè)定活塞與手把體，活柱體與手把手之間的接觸類型為“無穿透”。此外，為保證模型的穩(wěn)定性，對整個(gè)模型使用軟彈簧約束。

4 結(jié)果與結(jié)論

Solidworks軟件自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分并計(jì)算，得到了支柱在不同工況載荷下的應(yīng)力結(jié)果，如圖4所示。支柱在300KN和600KN兩種荷載工況下，其應(yīng)力分布情況相似，可以看出應(yīng)力自下而上的分布呈階梯狀，即油缸應(yīng)力>活柱體下部應(yīng)力>活柱體上部應(yīng)力，而且在600KN荷載下油缸的最大應(yīng)力為780Mpa，接近但并未達(dá)到屈服強(qiáng)度的極限，這也表明支柱滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。在20mm偏心荷載工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在三用閥安裝位置處，最大應(yīng)力達(dá)到900Mpa，考慮到模型的簡化和應(yīng)力集中，此處應(yīng)力暫不考慮;而油缸和活柱體的應(yīng)力為500Mpa左右，這遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，所以支柱的整體結(jié)構(gòu)在偏心荷載下安全可靠的。

通過單體液壓支柱的靜力分析中可以看出，支柱的最大應(yīng)力始終在油缸上，所以整體支護(hù)的荷載大小是由支柱油缸的強(qiáng)度決定著;在礦井巷道的支護(hù)中，支柱的損壞最多的正是位于油缸與手把體連接處的密封件，這與分析的結(jié)果相符，說明本文對單體液壓支柱的建模和分析的正確性，分析結(jié)果是可靠的，同時(shí)這為支柱的輕量化設(shè)計(jì)指出方向，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧文卿.煤礦礦井支護(hù)新技術(shù)與支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算及支護(hù)產(chǎn)品選型、設(shè)計(jì)、維護(hù)實(shí)用手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[2]二代龍震工作室.SolidWorks+Motion+Simulation建模/機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)綜合實(shí)訓(xùn)教程（第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]孫廣義，馬云東.單體液壓支柱工作面支護(hù)可靠性研究[J].煤炭工程，2002（09）：32-34.

[4]陳世其，李炳文，趙繼云.沖擊載荷作用下DWX型單體液壓支柱內(nèi)壓分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（06）：699-702.

[5]李炳文，朱冬梅，馬顯通.單體液壓支柱的現(xiàn)狀及存在的問題[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31（04）：54-57.

[6]張立麗，趙波.單體液壓支柱研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].新技術(shù)新工藝，2007（01）：28-30.

[7]李炳文，周玉萍，張濤.DWX型液壓支柱密封蓋的有限元分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32（12）.

作者簡介：胡修坤（1987-），男，山東泰安人，碩士，工程師，從事煤礦設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。