1、液压支架立柱的虚拟强度试验研究摘要：立柱强度试验是液压支架型式试验的重要环节。本文利用有限元分析平台Ansys Workbench，以双伸缩式立柱为研究对象，按照立柱型式试验规范的相关要求，对其虚拟强度试验方法进行了研究。针对不同零件间的配合信息，确定了具体的连接关系，进而对立柱中心过载及偏心加载两种状态的下的应力情况进行了分析。关键词：强度试验；Ansys Workbench；连接关系；中心过载；偏心加载中图分类号：TD3550 引言立柱是液压支架的主要承载部件，其强度大小直接决定液压支架的安全性和可靠性。立柱的室内型式试验是在综合了矿压、立柱实际使用条件、支护系统特征等因素对立柱承载能力进
2、行的试验。本文利用虚拟试验方法，模拟立柱的型式试验，对试验方法进行了研究，为立柱的室内型式试验提供数据参考。1 立柱结构介绍及分析模型的建立本文研究对象是 ZY6800/19/40A 型掩护式支架采用的双伸缩式立柱，主要由外缸体、中缸体、活柱组件和缸口导向组件四部分组成，如图 1 所示。外缸体 1、中缸体 2、活柱 3组成立柱的双伸缩结构，导向套 4、5 分别装配在中缸体及活柱外圆面，支撑和保证立柱动作过程中外缸体、中缸体、活柱三者之间的同轴度。在建立立柱的分析模型之前，对立柱模型进行简化，原则如下：（1）由于焊缝强度一般不低于母材强度，因此在强度分析时忽略焊缝的影响；（2）简化零件的加工工艺
3、结构，忽略对立柱受力影响不大的零件，如吊环、管夹、密封圈、防尘圈等；（3）为了使虚拟强度试验中边界和外载荷条件与立柱型式试验的要求保持一致，对双伸缩立柱结构进行分割和粘结处理，以便于试验时约束的加载。建立完成的立柱试验模型如图 2 所示。1-外缸体 2-中缸体 3-活柱 4-大导向套 5-小导向套图 1 立柱结构图图 2 立柱的试验模型2 虚拟强度试验的前处理立柱的虚拟强度试验过程主要包括材料属性的定义及分配、装配关系的处理、网格的划分、载荷的施加及边界条件的定义。本文研究的双伸缩立柱主要由合金结构钢 27SiMn的无缝钢管加工而成，在有限元分析平台 Ansys Workbench 中定义 2
4、7SiMn 的材料属性，并将其分配给立柱模型。2.1 立柱装配关系的处理立柱的装配关系主要分为三类，分别为外缸筒与缸底的连接，缸体与导向套的连接，导向套与缸口的连接。在 ANSYS Workbench 中，零件间的连接关系以接触的形式进行处理，包括粘结接触、不分离接触、无摩擦接触、粗糙接触、有摩擦接触。根据立柱各零件装配关系的实际情况以及各接触型式的具体作用，处理方法如下：（1）外缸筒和缸底的连接外缸筒和缸底的连接形式为焊接连接式，在焊缝质量得到保证的前提下，焊缝强度不低于母材，因此在焊接位置均使用粘结接触。（2）缸体与导向套的连接导向套在立柱升降时起导向作用，与各接触表面既要紧密接触又要动作
5、灵活，同时要承受一定的横向载荷，因此将导向套外圆面与各缸体内圆面间的接触设置成有摩擦的接触，摩擦系数设置为 0.2。（3）导向套与缸口的连接导向套与缸口连接方式为卡环连接，卡环嵌套在缸筒上，在立柱完全伸展时，承受着液压支架工作阻力与外载荷之间的差值。进行虚拟强度试验时，立柱完全伸展，且卡环处于静止状态，因此设置卡环与各接触零件之间为不分离接触。由于立柱模型相对简单，本文采用自动划分法进行网格划分，以减少网格数量，快速完成对模型的高质量网格划分。2.2 定义载荷和边界条件本文对两种工作状态下的立柱进行分析，（1）立柱全行程伸出，用内加载的方法加1.5 倍的中心载荷；（2）立柱全行程伸出，用内加载
6、的方法加额定压力偏心载荷。（1）立柱中心过载性能试验根据 GB 25974.1-2010煤矿用液压支架通用技术条件标准第二部分立柱和千斤顶技术条件规定，在进行立柱的中心过载性能试验时，需将两端固定，因此虚拟强度试验中设置立柱两端约束为固定约束，同时设置加载压力为 1.5 倍的中心载荷。立柱设计工作阻力为 42.3/81.9MPa，1.5 倍的额定载荷为 63.45/122.85MPa。本文采用内加载的方式将压力施加到相应的载荷面上，以模拟乳化液在立柱全行程伸出时对立柱内表面的液力作用。（2）立柱偏心加载性能试验在立柱的偏心加载性能试验中，按照图 3 所示的偏心量，加载额定载荷。为了便于约束的施
7、加，建立仿真模型时，在距离活柱中心线 0.3R 位置处建立一截面。进行偏心加载试验时，加载压力为额定压力。额定载荷为 1.1 倍的工作阻力，即 46.53/90.9Mpa。根据试验要求，本文在活柱柱头以及缸底分别建立并添加了垫块，对垫块施加固定约束，然后以内加载的方式将载荷施加到垫块端面上，加载情况如图 3 所示。图 3 立柱偏心加载示意图3 分析结果图 4 立柱中心过载试验应力云图图 4 所示为立柱中心过载的情况下应力云图，中缸体内表面应力较大，应力水平在550MPa600MPa，外缸体内表面应力水平在 380MPa410MPa，活柱应力水平在 75MPa100MPa，均低于材料屈服极限，说
8、明立柱中心过载性能良好。图 5 立柱偏心加载试验应力云图图 5 所示为立柱偏心加载情况下的应力云图，中缸体内表面应力较大，应力水平在350MPa400MPa，外缸内表面应力水平在 250MPa280MPa，活柱应力水平在 45MPa65MPa，均低于材料屈服极限，说明立柱偏心加载性能良好。参考文献 徐尚龙.ZY8800/22/45D 型液压支架有限元分析及强度优化D.成都：电子科技大学，2008.2 岳勇.基于 Ansys Workbench 的仿真模板二次开发J.数学技术与应用，2012，3（3）：140-141.3 叶铁丽，李民，刘欣丽.液压支架四连杆机构优化设计及运动仿真J，煤矿机械，2009，30（5）.4 陈雷平.液压支架的整体有限元分析D.西安：西安理工大学，2007.5 李翠勤.液压支架主体结构件疲劳寿命分析D.太原：太原理工大学，2012.作者简介：周丽丽，女，1987 年 6 月出生，现任安徽淮北煤电技师学院专业课教师，二级实习指导教师职称。主要研究方向为数控技术应用及教学研究。