ZY120002863D 液压支架立柱有限元分析.pdf

收稿日期2011-11-03;修订日期2012-04-08 作者简介陈静 （1964- ） ， 女， 河北秦皇岛人， 硕士， 副教授， 主要从事机械方面的教学及研究工作。 0引言 立柱是液压支架的主要承载和高度调节构件， 它除了要具有较高的承载能力外， 还应有较大的伸 缩行程， 以满足液压支架的工作要求。 高工作阻力大 采高支架所用的大缸径立柱是大采高液压支架设 计、 制造的关键， 它的设计合理与否直接影响到整架 的质量和使用效果。 目前指导大缸径立柱的设计方 法主要依靠经验， 理论计算研究不够深入， 所以本项 目针对 ZY12000/28/63D 型液压支架， 采用有限元分 析的方法对立柱的强度和稳定性进行分析， 为立柱 的设计提供参考依据[1]。 1立柱数学模型的建立 根据企业提供的资料， 建立立柱的数学模型[2]， 如 图 1 所示。 该立柱主要参数有 外缸直径 D1500 mm， 中缸直径 D2360 mm， 立柱设置为最大行程。 液压支 架工作阻力 F12 000 kN。 ZY12000/28/63D 型液压支架的双伸缩立柱结 构复杂， 该模型不能直接进行有限元分析， 需要在建 立数学模型时对其结构进行合理简化。去除不受力 的立柱附件， 去除对主体结构受力影响小的倒角、 孔 和沟槽结构，最终得到立柱有限元数学模型，如图 2、 图 3 所示。 图 2 为立柱数学模型图， 图 3 为立柱截 面图[3]。 简化后的模型真实反应了该立柱结构的整体原 貌， 最大程度的保证了原结构的空间几何关系， 可准 确反应立柱的受力特性， 局部孔槽的简化仅影响局 部应力， 对整体结构无明显影响， 不会使分析结果失 真[4]。 21.5 倍额定轴心载荷强度分析 （1 ） 材料 ZY12000/28/63D 液压支架立柱有限元分析 陈静 1, 2 （ 1. 河南工程学院 机械工程系，郑州 451191；2. 中国矿业大学 （北京 ） 机电与信息工程学院，北京 100083 ） 摘要依据液压支架立柱的试验标准， 利用有限元方法对 ZY12000/28/63D 型大采高液压支架立柱进行了 1.5 倍 额定轴心载荷强度分析， 1.1 倍额定载荷、 偏心 30mm 屈曲分析， 得出 ZY12000/28/63D 型液压支架立柱的应力和变 形分布模拟状况， 为立柱的设计提供理论依据。 关键词液压支架；立柱；ZY12000/28/63D；有限元；分析 中图分类号TD35文献标识码A文章编号1008-8725 （2012 ） 07-0010-02 Finite Element Analysis of Column of ZY12000/28/63D Hydraulic Support CHEN Jing1, 2 （1. Departments of Mechanical Engineering, Henan Institue of Engineering, Zhengzhou 451191, China; 2. College of Mechanical Electronic and Ination Engineering, China University of Mining column; ZY12000/28/63D; finite element; analysis 煤矿机械 “ “ “ “ 图 1立柱简化前模型 图 2立柱数学模型图 图 3立柱截面图 第 31 卷第 7 期 2012 年7 期 煤炭技术 Coal Technology Vol.31,No.07 July,2012 陈静 ZY12000/28/63D 液压支架立柱有限元分析第 7 期11 图 6立柱屈曲分析图解 ZY12000/28/63D 型液压支架的双伸缩立柱材 料为 27SiMn， 材料属性见表 1。 （2 ） 约束 立柱的工作状态是外缸的缸底球面和底座柱窝 球面接触， 活柱球面和顶梁柱窝球面接触。 在有限元 分析里， 需要对真实的接触情况进行简化， 最终， 对 于外缸的缸底球面采用球面约束， 活柱的球面用载 荷代替约束。 （3 ） 载荷 液压缸内部施加均匀压力 （外缸加载压力 P1， 中 缸加载压力 P2） ， 活柱头部球头施加轴心力 F1 P11.5 4f1 πD 2 1 45.84 MPa P21.5 4f1 πD 2 2 88.42 MPa F11.5F/29 000 kN （4 ） 离散化 采用 15 mm 大小的四面体单元对数学模型离 散化， 确保缸壁处至少分布 3 层单元。 划分成功后， 单元总数 82 万。 （5 ） 解算器 由于单元数量很多， 所以采用软件自带的 FFE－ Plus 解算器进行解算。 （6 ） 分析结果 分析结果如图 4 所示， 最大应力为 638 MPa， 该 应力发生在活柱头部孔的边缘， 由于该处靠近载荷 施加的部位， 并不影响整体结构的力学性能， 所以可 以忽略不计。 立柱应力剖面如图 5 所示，立柱的中缸缸壁内 侧应力最大， 为 480MPa， 安全系数 n835/4801.74 1.2， 立柱强度符合 MT313-1992 标准要求。 31.1倍额定载荷， 偏心30mm屈曲分析 （1 ） 材料 ZY12000/28/63D 型液压支架的双伸缩立柱结 构材料为 27SiMn， 材料属性见表 1。 （2 ） 约束 立柱的工作状态是外缸的缸底球面和底座柱窝 球面接触， 活柱球面和顶梁柱窝球面接触。 在有限元 分析里， 需要对真实的接触情况进行简化， 最终， 对 于外缸的缸底球面采用球面约束， 活柱的球面用载 荷代替约束。 （3 ） 载荷 根据 MT313-1992 标准要求， 在活柱头部球头偏 心 30 mm 处一点施加平行于立柱轴心的力 F2 F21.1F/26 600 kN （4 ） 离散化 采用 15 mm 大小的四面体单元对数学模型离 散化， 划分成功后， 单元总数 82 万。 （5 ） 解算器 采用软件自带的 FFEPlus 解算器进行解算。 （6 ） 分析结果 分析结果如图 6 所示， 屈曲因子 f2.5109， 所以 屈曲不会发生， 立柱符合 MT313-1992 标准要求。 4结束语 基于以上模型， 根据 MT313-1992 标准使用有 限元进行分析， ZY12000/28/63D 型液压支架的双伸 缩立柱强度分析和稳定性分析的结果均满足要求， 为企业的设计工作提供了有力的支持与验证依据。 参考文献 [1]赵衡山.国内液压支架试验规范浅析[J].煤炭科学技术， 1997 （3 ） 18-20. [2]王国法， 徐亚军．液压支架三维建模及其运动仿真[J].煤炭科学技 术， 2003 （5 ） 78-81. [3]郑晓雯,李锦彪,刘颖,等.基于 ANSYS Workbench 的液压支架立 柱优化分析[J].矿山机械,2011 （7 ） 24-26. [4]徐祖辉,樊军,李吉堂,等.Ф500 缸径液压支架立柱的优化设计[J]. 煤矿机械,2011 （1 ） 39-41. [5]张立荣.三维 CAD 技术在机械设计中的应用[J].煤炭技术， 2011 （2 ） 16-18. （责任编辑王秀丽 ） 材料27SiMn 杨氏模量/Pa 密度/kg m-3 泊松比 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 2.071011 7.85 0.3 835 980 表 1立柱材料属性 图 4立柱整体应力图解 图 5立柱应力剖面图