液壓支架立柱的虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)研究

周麗麗

(淮北煤電技師學(xué)院，安徽 淮北 235000)

引言

立柱是液壓支架的主要承載部件，其強(qiáng)度大小直接決定液壓支架的安全性和可靠性。立柱的室內(nèi)型式試驗(yàn)是在綜合了礦壓、立柱實(shí)際使用條件、支護(hù)系統(tǒng)特征等因素對(duì)立柱承載能力進(jìn)行的試驗(yàn)。本文利用虛擬試驗(yàn)方法，模擬立柱的型式試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，為立柱的室內(nèi)型式試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考。

1.立柱結(jié)構(gòu)介紹及分析模型的建立

本文研究對(duì)象是ZY6800/19/40A 型掩護(hù)式支架采用的雙伸縮式立柱，主要由外缸體、中缸體、活柱組件和缸口導(dǎo)向組件四部分組成，如圖1 所示。外缸體1、中缸體2、活柱3 組成立柱的雙伸縮結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向套4、5 分別裝配在中缸體及活柱外圓面，支撐和保證立柱動(dòng)作過(guò)程中外缸體、中缸體、活柱三者之間的同軸度。

在建立立柱的分析模型之前，對(duì)立柱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，原則如下:(1)由于焊縫強(qiáng)度一般不低于母材強(qiáng)度，因此在強(qiáng)度分析時(shí)忽略焊縫的影響;(2)簡(jiǎn)化零件的加工工藝結(jié)構(gòu)，忽略對(duì)立柱受力影響不大的零件，如吊環(huán)、管夾、密封圈、防塵圈等;(3)為了使虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)中邊界和外載荷條件與立柱型式試驗(yàn)的要求保持一致，對(duì)雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割和粘結(jié)處理，以便于試驗(yàn)時(shí)約束的加載。建立完成的立柱試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2 所示。

圖2 立柱的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)的前處理

立柱的虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程主要包括材料屬性的定義及分配、裝配關(guān)系的處理、網(wǎng)格的劃分、載荷的施加及邊界條件的定義。本文研究的雙伸縮立柱主要由合金結(jié)構(gòu)鋼27SiMn 的無(wú)縫鋼管加工而成，在有限元分析平臺(tái)Ansys Workbench 中定義27SiMn 的材料屬性，并將其分配給立柱模型。

2.1 立柱裝配關(guān)系的處理

立柱的裝配關(guān)系主要分為三類，分別為外缸筒與缸底的連接，缸體與導(dǎo)向套的連接，導(dǎo)向套與缸口的連接。在ANSYS Workbench 中，零件間的連接關(guān)系以接觸的形式進(jìn)行處理，包括粘結(jié)接觸、不分離接觸、無(wú)摩擦接觸、粗糙接觸、有摩擦接觸。根據(jù)立柱各零件裝配關(guān)系的實(shí)際情況以及各接觸型式的具體作用，處理方法如下:

(1)外缸筒和缸底的連接

外缸筒和缸底的連接形式為焊接連接式，在焊縫質(zhì)量得到保證的前提下，焊縫強(qiáng)度不低于母材，因此在焊接位置均使用粘結(jié)接觸。

(2)缸體與導(dǎo)向套的連接

導(dǎo)向套在立柱升降時(shí)起導(dǎo)向作用，與各接觸表面既要緊密接觸又要?jiǎng)幼黛`活，同時(shí)要承受一定的橫向載荷，因此將導(dǎo)向套外圓面與各缸體內(nèi)圓面間的接觸設(shè)置成有摩擦的接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。

(3)導(dǎo)向套與缸口的連接

導(dǎo)向套與缸口連接方式為卡環(huán)連接，卡環(huán)嵌套在缸筒上，在立柱完全伸展時(shí)，承受著液壓支架工作阻力與外載荷之間的差值。進(jìn)行虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，立柱完全伸展，且卡環(huán)處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此設(shè)置卡環(huán)與各接觸零件之間為不分離接觸。

由于立柱模型相對(duì)簡(jiǎn)單，本文采用自動(dòng)劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以減少網(wǎng)格數(shù)量，快速完成對(duì)模型的高質(zhì)量網(wǎng)格劃分。

2.2 定義載荷和邊界條件

本文對(duì)兩種工作狀態(tài)下的立柱進(jìn)行分析，(1)立柱全行程伸出，用內(nèi)加載的方法加1.5 倍的中心載荷;(2)立柱全行程伸出，用內(nèi)加載的方法加額定壓力偏心載荷。

(1)立柱中心過(guò)載性能試驗(yàn)

根據(jù)GB 25974.1-2010 《煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)第二部分立柱和千斤頂技術(shù)條件規(guī)定，在進(jìn)行立柱的中心過(guò)載性能試驗(yàn)時(shí)，需將兩端固定，因此虛擬強(qiáng)度試驗(yàn)中設(shè)置立柱兩端約束為固定約束，同時(shí)設(shè)置加載壓力為1.5 倍的中心載荷。立柱設(shè)計(jì)工作阻力為42.3/81.9MPa，1.5 倍的額定載荷為63.45/122.85MPa。本文采用內(nèi)加載的方式將壓力施加到相應(yīng)的載荷面上，以模擬乳化液在立柱全行程伸出時(shí)對(duì)立柱內(nèi)表面的液力作用。

(2)立柱偏心加載性能試驗(yàn)

在立柱的偏心加載性能試驗(yàn)中，按照?qǐng)D3 所示的偏心量，加載額定載荷。為了便于約束的施加，建立仿真模型時(shí)，在距離活柱中心線0.3R 位置處建立一截面。進(jìn)行偏心加載試驗(yàn)時(shí)，加載壓力為額定壓力。額定載荷為1.1 倍的工作阻力，即46.53/90.9Mpa。根據(jù)試驗(yàn)要求，本文在活柱柱頭以及缸底分別建立并添加了墊塊，對(duì)墊塊施加固定約束，然后以內(nèi)加載的方式將載荷施加到墊塊端面上，加載情況如圖3 所示。

圖3 立柱偏心加載示意圖

圖4 立柱中心過(guò)載試驗(yàn)應(yīng)力云圖

3.分析結(jié)果

圖4 所示為立柱中心過(guò)載的情況下應(yīng)力云圖，中缸體內(nèi)表面應(yīng)力較大，應(yīng)力水平在550MPa—600MPa，外缸體內(nèi)表面應(yīng)力水平在380MPa—410MPa，活柱應(yīng)力水平在 75MPa—100MPa，均低于材料屈服極限，說(shuō)明立柱中心過(guò)載性能良好。

4.分析結(jié)果

圖5 所示為立柱偏心加載情況下的應(yīng)力云圖，中缸體內(nèi)表面應(yīng)力較大，應(yīng)力水平在350MPa—400MPa，外缸內(nèi)表面應(yīng)力水平在250MPa—280MPa，活柱應(yīng)力水平在45MPa—65MPa，均低于材料屈服極限，說(shuō)明立柱偏心加載性能良好。

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