刘建英 陈 静 赵丽萍

（1.河南工程学院机械工程系，河南省郑州市，450007；2.郑州煤矿机械制造技工学校，河南省郑州市，450013）

ø380mm液压支架立柱的有限元分析

刘建英1陈 静1赵丽萍2

（1.河南工程学院机械工程系，河南省郑州市，450007；2.郑州煤矿机械制造技工学校，河南省郑州市，450013）

依据国内制定的有关液压支架立柱技术条件的相关标准，对ø380mm立柱的1.5倍额定轴心载荷强度分析和1.1倍额定载荷、偏心30mm屈曲分析进行计算机模拟仿真。通过对ø380mm液压支架立柱的三维建模及受力分析模拟仿真，得出了ø380mm立柱应力变形以及应力分布模拟状况，为立柱的设计提供了理论依据。

液压支架 立柱应力 模拟仿真 有限元分析

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和制造的关键，它的设计合理与否直接影响到整个液压支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。因此，本文依据MT313－1992标准，采用有限元分析的方法对ø380mm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 立柱数学模型的建立

ø380mm立柱结构复杂，设计模型不能直接进行有限元分析，需要对其结构进行合理简化。去除不受力的立柱附件以及对主体结构受力影响小的倒角、孔槽和沟槽结构，最终得到立柱有限元数学简化模型如图1所示。

简化后的模型真实反应了该立柱结构的整体原貌，最大程度地保证了原结构的空间几何关系。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。

2 1.5倍额定轴心载荷强度分析

2.1 分析类型

立柱简化后为轴对称结构，所以静态分析采用“2D简化”选项，简化后模型如图2所示。

图2 主柱2D静态分析简化模型

2.2 材料

立柱缸体材料为27SiMn，材料属性为：杨氏模量2.07×1011Pa，密度7850kg/m3，泊松比0.3，屈服强度835MPa，抗拉强度980MPa。

2.3 约束

立柱的工作状态为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，外缸与中缸、中缸与活柱之间也是真实接触。在有限元分析里，需要对真实的接触情况进行简化，在立柱静态分析约束中，柱窝底面设定为“固定”约束，柱窝与缸底球面设定为“无穿透”约束，导向套与缸体设定为“无穿透”约束。

2.4 载荷

对外缸内部施加均匀压力，外缸加载压力P1为：

式中：F——额定工作阻力，5100kN；

D1——外缸直径，380mm。

对中缸内部施加均匀压力，中缸加载压力P2为：

式中：F——额定工作阻力，5100kN；

D2——中缸直径，270mm。

2.5 离散化与解算

采用8mm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。导向套处采用2mm单元进行网格控制，网格大小以1.3倍递增，划分成功后，单元总数为1.45万。2D模拟的网格数量较少，所以采用软件自带的Direct Spar解算器进行解算。

2.6 分析结果

图3 立柱整体应力图解

立柱整体应力分析结果如图3所示。从图3可以看出，立柱的中缸缸壁内侧应力为591MPa，为最大有效应力。安全系数n＝835/591＝1.41＞1.2，立柱强度符合MT313－1992标准要求。

3 1.1倍额定载荷，偏心30 mm屈曲分析

3.1 分析类型

由于屈曲分析类型不能把立柱简化为轴对称形式，所以应该对立柱进行整体分析，立柱屈曲分析模型如图4所示。

图4 主柱屈曲分析模型

3.2 约束

屈曲分析约束中，全局接触设定为“无穿透”约束，外缸缸底球面设定为“球面”约束。导向套处采用销约束替代，旋转自由度设为0，不限定径向自由度。

3.3 载荷

根据MT313－1992标准要求，在立柱头部球头偏心30mm处施加平行于立柱轴心的力F2＝1.1F＝5610kN。

3.4 离散化与解算

采用13mm大小的四面体单元对数学模型离散化。划分成功后，单元总数为70.4万。采用软件自带的FFEPlus解算器进行解算。

3.5 分析结果

立柱屈曲分析如图5所示。从图5可以看出，载荷因子f≈1.74＞1，不会发生主柱屈曲，立柱符合MT313－1992标准要求。

图5 立柱屈曲分析图解

4 结论

本文依据国内制定的有关液压支架立柱的试验标准（MT313－1992），选取了1.5倍额定轴心载荷强度及1.1倍额定载荷、偏心30mm屈曲进行计算机模拟仿真和有限元分析。通过对该立柱模拟仿真，得出了ø380mm液压支架立柱强度和稳定性均满足试验标准要求，这为液压支架立柱的设计提供了理论依据。在实际的液压支架立柱加载试验中，可以以此模拟试验的数据作为参考，在应力比较大的部位安置应变片，更有目的性地进行试验。

［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）

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［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）［4］ 徐祖辉，樊军，李吉堂等.ø500缸径液压支架立柱的优化设计［J］.煤矿机械，2011（1）

［5］ 周娟利，崔淑英.基于ABAQUS的液压支架立柱有限元静力学分析［J］.煤矿机械，2010（8）

［6］ 张新语.ZY9000/26/55型液压支架立柱强度的研究［J］.煤矿机械，2009（8）

Finite element analysis on hydraulic support column ofø380mm

Liu Jianying1，Chen Jing1，Zhao Liping2
（1.Department of Mechanical Engineering，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou，Henan 450007，China；2.Zhengzhou Coal Mining Machinery Manufacturing Technical School，Zhengzhou，Henan 450013，China）

According to the national standards on hydraulic support column，the numerical simulation was carried out in terms of the strength of hydraulic support column ofø380mm under 1.5and 1.1 times of rated axial loading and buckling behavior under eccentric loading with a distance of 30mm to the center.A 3Dmodel was set up and the stress deformation and the stress distribution were obtained，providing a theoretical basis for the design of hydraulic support columns.

hydraulic support，stress of column，numerical simulation，finite element analysis

TD355.47

A

刘建英（1973－），女，山西大同人，硕士，讲师，在读博士，主要从事机械方面的教学及研究工作，从事煤矿机械的研究。

（责任编辑 路 强）