ZY12000/28/62D 掩護(hù)式液壓支架立柱有限元分析研究

郭海軍

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046699）

引言

立柱作為液壓支架的重要組成部分，其工作行程將會(huì)直接影響整體液壓支架的工作狀態(tài)和工作效率。結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，在綜采工作面生產(chǎn)施工中，液壓支架相關(guān)生產(chǎn)事故大多由立柱和千斤頂失效、失穩(wěn)等因素引起。因此，對(duì)立柱進(jìn)行有限元分析，探尋出一種最適用于立柱性能分析的有限元分析方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決立柱存在的安全隱患，避免引發(fā)更為嚴(yán)重的問(wèn)題，降低安全風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)成本，保護(hù)生產(chǎn)人員及設(shè)備的安全，有著一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 液壓支架立柱類型及結(jié)構(gòu)

液壓支架作為煤礦綜采工作面中一種常用液壓動(dòng)力裝備，其主要作用是支撐工作面頂板，保證工作面安全性以及推移采運(yùn)設(shè)備不斷移動(dòng)?，F(xiàn)階段，市面上各類液壓支架種類相對(duì)較多，對(duì)所有液壓支架種類進(jìn)行歸納匯總后，可將其大致劃分為掩護(hù)式液壓支架、支撐式液壓支架以及支撐掩護(hù)式液壓支架三大類，不同液壓支架之間的實(shí)際結(jié)構(gòu)雖然存在一定差異，但實(shí)際立柱結(jié)構(gòu)卻大致相同。通常情況下，液壓支架立柱類型可以歸納為單伸縮立柱、機(jī)械加長(zhǎng)桿單伸縮立柱、雙伸縮立柱以及三伸縮立柱四大類。本文將以雙伸縮立柱中的ZY12000/28/62D 掩護(hù)式液壓支架立柱為例對(duì)液壓支架立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析介紹，具體立柱結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZY12000/28/62D 掩護(hù)式液壓支架立柱結(jié)構(gòu)

2 液壓支架立柱模型構(gòu)建

2.1 立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

ZY12000/28/62D 掩護(hù)式液壓支架立柱作為雙伸縮立柱，其主體結(jié)構(gòu)大致可分為底液壓缸、中液壓缸、導(dǎo)向套、活柱等部分，除以上主體結(jié)構(gòu)外，立柱還存在大量細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，所以若是完全根據(jù)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型構(gòu)建，不僅會(huì)浪費(fèi)大量的模型構(gòu)建時(shí)間，而且還會(huì)對(duì)后續(xù)液壓支架立柱有限元分析效率及效果造成影響，嚴(yán)重的甚至可能會(huì)引發(fā)因計(jì)算機(jī)運(yùn)行資源不足而停止運(yùn)算的情況。因此，在模型構(gòu)建前，需要對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化內(nèi)容如下：

1）由于立柱焊縫強(qiáng)度高于殼體強(qiáng)度，所以可簡(jiǎn)化焊縫；

2）立柱中存在部分受力影響較小的孔、接頭的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)忽略；

3）根據(jù)立柱工作特點(diǎn)，將立柱上下腔內(nèi)液體視作為不流動(dòng)靜流體，并忽略液體入口和出口接頭部分；

4）底座和底液壓缸視作為一個(gè)整體，忽略接頭部分；

5）將導(dǎo)向環(huán)、密封環(huán)、擋圈等部分均視作為導(dǎo)向套整體的一部分；

6）一級(jí)活塞、中液壓缸、底閥、外部卡鍵、支撐閥視作為一個(gè)整體。

2.2 立柱模型構(gòu)建

基于液壓支架立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化內(nèi)容，合理構(gòu)建各部分模型，并將所構(gòu)建出的模型進(jìn)行合理裝配，最終所獲取到的液壓支架立柱模型如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 液壓支架立柱模型

2.3 含液伸縮立柱模型構(gòu)建

由于研究中還需要進(jìn)行流固耦合分析，所以還需要以上文所構(gòu)建的液壓支架立柱模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步構(gòu)建含液雙伸縮立柱模型，由此來(lái)有效避免液壓支架立柱模型中液體部分與固體部分相互重疊，保障模型有限元分析的精準(zhǔn)性。

3 液壓支架立柱有限元分析

有限元分析需要先將1/4 立柱模型導(dǎo)入ANSYS軟件，然后設(shè)置模型單元屬性，但由于后續(xù)研究中還需要開展流固耦合分析，所以在模型單元設(shè)置時(shí)還需要對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行綜合考慮。最終在綜合分析后選擇SOLID185 單元。

在選擇模型單元后，為保障模型分析效率及精度，還需要開展網(wǎng)格劃分。常用的網(wǎng)格劃分方式包括自由劃分、映射劃分以及混合劃分，本研究中為提高計(jì)算速度，保障精算進(jìn)度，最終選用混合劃分方式，劃分結(jié)束后獲取單元數(shù)為100590 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為42349個(gè)，具體模型如圖3 所示。

圖3 液壓支架立柱1/4 網(wǎng)格模型

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

基于液壓支架立柱1/4 網(wǎng)格模型，通過(guò)ANSYS軟件利用直接法進(jìn)行計(jì)算求解，進(jìn)而獲取到的求解結(jié)果如圖4 所示。

圖4 液壓支架立柱的應(yīng)力云圖和位移云圖

由圖4 可知，液壓支架立柱的最大應(yīng)力點(diǎn)位于中液壓缸中部偏上位置，最大應(yīng)力值為742.382 MPa；液壓支架立柱的最大位移點(diǎn)位于活柱底部位置，最大位移量為1.25213 mm。

如圖5 所示，液壓支架立柱底液壓缸的最大應(yīng)力點(diǎn)位于底液壓缸與中液壓缸連接處的內(nèi)表面位置，最大應(yīng)力值為604.455 MPa；液壓支架立柱底液壓缸的最大位移點(diǎn)位于底液壓缸與中液壓缸連接處的內(nèi)表面上端區(qū)域，最大位移量為0.600774 mm。

圖5 液壓支架立柱底液壓缸的應(yīng)力云圖和位移云圖

中液壓缸、活柱等部位的有限元分析過(guò)程與底液壓缸的有限元分析過(guò)程大致相同，兩者的最大應(yīng)力點(diǎn)分別位于底液壓缸與中液壓缸連接處的內(nèi)表面位置、活柱底部，最大應(yīng)力值分別為742.493 MPa、453.954 MPa；同時(shí)兩者的最大位移點(diǎn)分別位于中液壓缸底部和活柱底部，最大位移量分別為0.937776 mm、1.253314 mm。

3.2 流固耦合有限元分析

基于液壓支架立柱1/4 網(wǎng)格模型，通過(guò)ANSYS軟件利用直接法進(jìn)行計(jì)算求解，進(jìn)而獲取到的求解結(jié)果如表1 所示。

表1 流固耦合有限元分析結(jié)果對(duì)比表

4 有限元分析方法的實(shí)踐應(yīng)用效果分析

結(jié)合有限元分析結(jié)果來(lái)看，相對(duì)來(lái)說(shuō)，流固耦合有限元分析中對(duì)液壓支架立柱含液情況下的應(yīng)力和位移進(jìn)行充分考慮，所以相對(duì)于無(wú)液分析來(lái)說(shuō)含液有限元分析結(jié)果更接近力學(xué)計(jì)算結(jié)果，更具有參考價(jià)值。因而在實(shí)施液壓支架有限元模型分析中，應(yīng)優(yōu)先選用流固耦合有限元分析方法?；诖搜芯拷Y(jié)果，將流固耦合有限元分析方法應(yīng)用于液壓支架立柱檢驗(yàn)工程實(shí)踐中，最終發(fā)現(xiàn)此種方法相較于傳統(tǒng)方法更易發(fā)現(xiàn)立柱中存在的安全隱患，對(duì)其液壓支架立柱設(shè)計(jì)優(yōu)化及檢修分析均有著一定參考價(jià)值[1-4]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元模型分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析方法來(lái)說(shuō)，流固耦合有限元分析方法更符合力學(xué)計(jì)算特征，所以在后續(xù)液壓支架立柱設(shè)計(jì)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)中應(yīng)優(yōu)先采用流固耦合有限元分析方法。同時(shí)，為進(jìn)一步驗(yàn)證此結(jié)果的有效性，研究中還開展工程實(shí)踐，并在實(shí)踐中有效鑒證流固耦合有限元分析方法的有效性。