液壓支架雙伸縮立柱缸體的流固耦合特效研究

陳建停

【摘 ?要】基于液壓支架雙伸縮立柱的承載特性，闡述了流固耦合法對(duì)立柱承載分析的影響，針對(duì)立柱外加載及沖擊載荷條件下，分別給出了相應(yīng)的約束及載荷條件，總結(jié)了立柱振蕩特性。

【關(guān)鍵詞】液壓支架;雙伸縮立柱;流固耦合;沖擊載荷

Study on the fluid structure coupling effect of the cylinder block with double telescopic columns of the support

Abstract：Based on the load-bearing characteristics of the ?two stage leg of the hydraulic support，this paper expounds the influence of the fluid solid coupling method on the load-bearing analysis of the column.According to the external load and impact load conditions of the column，the corresponding constraints and load conditions are given respectively，and the vibration characteristics of the column are summarized.

Keywords：support;two stage leg;Fluid solid coupling;Impact load

1 液壓支架立柱承載特征

立柱是液壓支架的重要支撐部件，為支架提供支撐動(dòng)力實(shí)現(xiàn)液壓支架對(duì)工作面頂?shù)装宓陌踩ёo(hù)，對(duì)液壓支架產(chǎn)品以及整個(gè)井下工作面的安全性和可靠性起著至關(guān)主要的作用。目前關(guān)于立柱穩(wěn)定性分析主要為靜力學(xué)分析。而研究沖擊載荷對(duì)立柱穩(wěn)定性的影響時(shí)，往往將立柱簡(jiǎn)化為一個(gè)彈性體結(jié)構(gòu)，忽略了缸內(nèi)流體與缸體之間相互作用過(guò)程及其對(duì)支架和立柱穩(wěn)定性的影響。實(shí)際上，立柱受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，不僅缸體內(nèi)流體的瞬態(tài)動(dòng)力特性對(duì)缸壁的作用有影響，而且對(duì)導(dǎo)向、密封的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和可靠性也有一定程度的影響。特別是雙伸縮立柱，外缸和中缸中存在著流體-固體-流體-固體的復(fù)雜耦合作用。

2雙伸縮立柱外加載的流固耦合仿真研究

2.1約束及載荷條件

項(xiàng)目選擇φ500雙伸縮立柱為研究對(duì)象外缸半球頭外表面施加固定約束;活柱頂端加載塊與活柱之間為“粘結(jié)”約束;活塞與缸壁之間，導(dǎo)向套與活塞桿之間均為接觸約束。

載荷條件：

為了模擬井下實(shí)際工況條件，在活柱頂端增加了一個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的重量等于立柱1.5倍額定工作阻力，即13500kN。質(zhì)量塊的質(zhì)心與立柱軸線(xiàn)重合。質(zhì)量塊從初始靜止?fàn)顟B(tài)釋放。受到質(zhì)量塊重力作用，立柱內(nèi)部液體壓力隨之發(fā)生變化。

外缸和中缸的初始內(nèi)部壓力為37.5MPa

2.2 仿真結(jié)果及分析

（1）外缸和中缸內(nèi)部壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

在加載質(zhì)量塊的重力作用下，立柱產(chǎn)生短暫的彈性振蕩，約350ms后，振蕩基本消失，系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)（圖2-1）。這與煤礦井下液壓支架承載過(guò)程是基本一致的。因?yàn)轫敯鍋?lái)壓時(shí)，頂?shù)装逵幸粋€(gè)逐漸壓實(shí)的過(guò)程，即支架的彈性振蕩過(guò)程是不可避免的。因此，仿真過(guò)程及結(jié)果滿(mǎn)足井下實(shí)際工況。

同時(shí)仿真模擬顯示在立柱振蕩過(guò)程中，外缸最大壓力78.7MPa，中缸最大壓力110MPa。承載穩(wěn)定后，外缸壓力66.8MPa，中缸壓力90.3MPa。

（2）外缸內(nèi)外壁等效應(yīng)力軸向分布規(guī)律

外缸外壁：在缸體底部接頭處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，應(yīng)力達(dá)660MPa。缸壁其它部位的應(yīng)力小于400MPa。

外缸內(nèi)壁：除了局部應(yīng)力集中區(qū)域，其它地方的應(yīng)力不到500MPa。應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在外缸內(nèi)壁與活塞導(dǎo)向環(huán)下邊緣交界處，此處應(yīng)力峰值出現(xiàn)了突變。針對(duì)峰值突變，筆者分析是由于在進(jìn)行仿真時(shí)，導(dǎo)向環(huán)與缸壁接觸部位構(gòu)成了一個(gè)截面突變區(qū)域，在實(shí)際工況中，此處的應(yīng)力集中現(xiàn)象將不存在。

3中心加載沖擊載荷下的流固耦合仿真研究

液壓支架井下工作流程一般以降—移—升為一個(gè)工作循環(huán)，在工作循環(huán)內(nèi)立柱的承載表現(xiàn)較為平緩，既立柱承受外載時(shí)增阻增長(zhǎng)平緩。但在多數(shù)工作面尤其是大采高工作面，液壓支架受到的頂板壓力常常表現(xiàn)為沖擊載荷，載荷傳遞到立柱的承載將由由平緩增阻突變?yōu)樗查g增阻如圖3-1所示，其瞬間沖擊載荷往往大于立柱安全閥設(shè)定的開(kāi)啟壓力，安全閥卸載不及時(shí)造成立柱損壞。

3.1 沖擊載荷流固耦合約束及載荷條件

項(xiàng)目選擇φ500雙伸縮立柱為研究對(duì)象，外缸半球頭外表面施加固定約束，活柱頂端加載塊與活柱之間為“粘結(jié)”約束，活塞與缸壁之間，導(dǎo)向套與活塞桿之間，均為接觸約束。

載荷條件：

沖擊塊的尺寸：1m*2m*2m，密度7850kg/m，沖擊速度8m/s。

外缸和中缸的初始內(nèi)部壓力（初撐力）為37.5MPa。

沖擊后，沖擊塊反彈后脫離與立柱的接觸。

3.2沖擊載荷下的流固耦合仿真分析

（1）外缸和中缸內(nèi)壓隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

立柱受到?jīng)_擊后，由于立柱結(jié)構(gòu)體和液體的彈性變形，缸體內(nèi)液體發(fā)生振蕩并逐步衰減。外缸內(nèi)液體壓力最大振幅98MPa，中缸內(nèi)液體壓力最大振幅124MPa。經(jīng)過(guò)約13次振蕩后，液體壓力穩(wěn)定下來(lái)，恢復(fù)到初始?jí)毫?7.5MPa。

液體壓力振蕩過(guò)程是一個(gè)非常短暫的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。圖3-1中，高應(yīng)力峰值持續(xù)的時(shí)間非常短暫。如外缸的98MPa和中缸的124MPa，僅是5ms時(shí)的一個(gè)瞬時(shí)值。

（2）外缸和中缸內(nèi)外壁等效應(yīng)力軸向分布規(guī)律

由圖3-4和圖3-8可知，立柱受到?jīng)_擊后的應(yīng)力是一個(gè)頻率較高的衰減振蕩過(guò)程。5ms時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力的最大峰值，但該峰值持續(xù)時(shí)間非常短暫。實(shí)際上，由于缸體結(jié)構(gòu)阻尼的存在，該瞬時(shí)壓力對(duì)缸體強(qiáng)度不會(huì)造成破壞應(yīng)影響。

5ms時(shí)，缸體內(nèi)外壁的應(yīng)力分析如下。

外缸應(yīng)力分布：

內(nèi)壁最大應(yīng)力發(fā)生在兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域位于缸底焊縫上部150～190mm范圍內(nèi)，另一個(gè)區(qū)域位于活塞底部附近，最大應(yīng)力1610MPa左右。缸體中部應(yīng)力1400MPa。

外壁等效應(yīng)力發(fā)生在缸底焊縫處，應(yīng)力最大值2700MPa。

中缸應(yīng)力分布：

內(nèi)壁最大應(yīng)力產(chǎn)生于活塞底部處，最大應(yīng)力1800MPa。另一處應(yīng)力較大的地方位于活塞上緣120mm處，應(yīng)力為1650MPa。

外壁等效應(yīng)力也發(fā)生在缸底焊縫處，應(yīng)力最大值2810MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）外加載工況下，缸內(nèi)壓力及缸壁應(yīng)力存在彈性振蕩現(xiàn)象，這與煤礦井下工況是一致的。振蕩時(shí)，最大峰值壓力，外缸78.7MPa，中缸110MPa。穩(wěn)定后，外缸壓力66.8MPa，中缸壓力90.3MPa。

（2）沖擊加載工況下，缸內(nèi)壓力存在較高頻率的彈性衰減振蕩，振蕩持續(xù)時(shí)間約250ms。最大峰值壓力，外缸98MPa，中缸124MPa。5ms時(shí)缸體內(nèi)壁和外壁出現(xiàn)應(yīng)力最大峰值，應(yīng)力峰值從1610MPa到2800MPa。峰值應(yīng)力是一個(gè)瞬時(shí)值，由于缸體結(jié)構(gòu)阻尼的存在，不會(huì)對(duì)缸體強(qiáng)度造成破壞性影響。

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（作者單位：鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司）