高有进梁承元谢德东杨文明陈学东

(1.郑州煤矿机械集团股份有限公司,河南省郑州市,450013; 2.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室,湖北省武汉市,430074)

超高端液压支架立柱强度性能有限元分析∗

高有进1梁承元2谢德东2杨文明1陈学东2

(1.郑州煤矿机械集团股份有限公司,河南省郑州市,450013; 2.华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室,湖北省武汉市,430074)

为了准确和全面把握超高端液压支架的大缸径双伸缩型立柱的强度性能,在充分考虑了焊缝和导向环等关键细节组件受载特性的基础上,构建了立柱有限元模型。通过静态中心过载压缩性能及偏心加载性能的仿真分析,指出了立柱在活柱的结构连接部位易产生较大的接触应力,并且在中缸和活柱底端可能出现导向环、动密封与缸体脱离接触。

液压支架 双伸缩立柱 有限元分析 关键细节组件 应力

1 引言

在中厚煤层采用大采高成套综采装备,对保证生产安全和实现高效生产具有重要意义。近年来,由于综采采高的不断提升,对液压支架提出了高工作阻力、超大采高(大于7 m)和高可靠性(结构件90000次,立柱千斤顶6万次)等超高端技术目标。为了满足超高端液压支架超大采高下的高工作阻力技术要求,液压支架立柱往往采用大缸径双伸缩的结构形式,以提供足够的伸长量和支撑力。一方面,通过增加立柱壁厚等关键尺寸提高结构强度的设计手段受到安装空间等因素的限制;另一方面,高支撑力带来的缸内极高液压对立柱结构强度提出了更高的要求。在大伸长量的情况下,因载荷偏心和波动造成的立柱涨缸、翘曲及由此带来的局部应力过大、密封与接触导向失效等问题已不容忽视。如何准确和全面地评估立柱强度性能并指导结构优化,是保证液压支架立柱设计成果安全可靠的关键。虽然常见的液压支架立柱结构CAE仿真分析方法能整体估算立柱的结构强度,但是在模型简化过程中忽略导向环、密封圈以及焊缝等结构细节的受载特性,无法准确地反映立柱关键部位的应力状态以及评估缸内密封性能,难以达到理想效果。

为此,本文以超高端液压支架的大缸径双伸缩型立柱为对象,参照中国标准GB 25974.2－2010《煤矿用液压支架第2部分:立柱和千斤顶技术条件》与欧洲标准EN1804－2:2002《井下采矿用机器对液压支架的安全性要求第2部分:立柱和千斤顶》中的立柱静态中心过载压缩性能及偏心加载性能的测试检验方法,在分析试验条件下立柱受载状态的基础上,构建考虑焊缝、导向套、密封圈和导向环等结构细节特征的立柱有限元模型,并通过静态中心过载压缩和偏心加载仿真试验,分析立柱结构应力状态和密封性能,为结构设计优化提供指导。

2 立柱结构介绍

立柱外缸、中缸以及活柱的缸壁与底部采用焊接方式连接。导向套通过矩形螺纹结构安装于外缸和中缸缸口。导向套、中缸以及活柱的底端外壁面均开有浅槽,用于装嵌导向环和动密封,实现中缸和活柱轴向相对运动表面间的接触导向,并防止高压腔液体向低压腔泄漏。大缸径双伸缩立柱结构如图1所示。

图1 大缸径双伸缩立柱结构

3 立柱承载分析与有限元建模

根据GB 25974.2－2010与EN1804－2:2002中的相关规定,在1.5倍额定载荷压缩的内加载测试工况下,外缸和中缸内底面边界处易出现应力集中,而活柱可能会因结构变形产生局部过大接触应力。外缸和中缸的焊缝承受径向均布压力,而活柱焊缝需传递全部轴向压力。外缸、中缸以及活柱的径向膨胀变形程度不同,可能造成中缸与外缸以及活柱与中缸之间的径向间隙扩大,导致中缸和活柱底端的导向环接触与动密封作用失效。

在全缩回2倍额定载荷压缩测试中,活柱焊缝作为轴向压力传递的必经关节需承受全部压缩载荷。除此之外,较大结构应力还出现在外缸、中缸、活柱底部接触面的几何边界及压力传递路径上因立柱结构变形产生的组件局部接触部位。

在偏心加载性能测试中,偏心载荷产生的弯曲力矩不仅会使一、二级缸在缸口处产生较大挠曲变形,迫使包括焊缝和导向套在内的缸体结构承受挠曲力矩,而且会影响一、二级缸口导向套及中缸、活柱底端的导向环、密封的接触作用,产生局部较大应力。

根据上述分析,为了准确地分析立柱结构关键区域的应力分布和变形情况,在有限元建模时,需保留一、二级活塞腔与活柱腔相关区域的结构细节(如内壁面倒角、径向间隙等),细分导向套、导向环、密封圈以及焊缝等组件的网格,并合理设置其与主体结构的接触和连接关系。

因此,立柱外缸、中缸和活柱的主体结构采用扫描的方式生成六面体为主的规则网格。而焊缝则采用实体单元单独创建网格,并与主体结构进行节点关联。一、二级缸体与导向套相接触,摩擦系数设为0.1。导向环、防尘圈、密封采用实体单元建模,与安装槽内侧壁固连,并与缸壁或活柱接触。导向环、密封与缸壁或活柱间的摩擦系数取0.04,防尘圈与缸壁或活柱间的摩擦系数设为0.2,以在仿真过程中保证导向环、防尘圈、密封与缸壁或活柱间的轴向相对滑动的同时,实现径向接触力传递,并能模拟因径向间隙扩大造成的脱离接触。立柱有限元模型如图2所示。

图2 大缸径双伸缩立柱有限元模型

立柱中外缸、中缸和活柱的缸体主结构使用材料为30Cr MnSi,导向套使用材料为30Cr Mo,外缸底部与活柱顶端的柱窝使用材料为ZG30Cr06A。缸体主结构、导向套、焊缝、柱窝及其安装支座采用理想弹塑性非线性材料模型,而动密封、静密封、导向环、O型圈和防尘圈等密封件采用线弹性材料模型。主要结构材料属性见表1。

表1 立柱主要结构材料属性MPa

在仿真设置时,可根据立柱试验承载力计算出一、二级缸中活塞腔和活柱缸内液压,以均布压力载荷形式施加于相关区域的边界表面,用以模拟内加载工况,并根据柱窝－窝座的接触深度和轴向偏心压载的大小和作用位置,施加相应的固定约束和集中力载荷。

4 仿真分析结果

3.1 1.5倍额定载荷压缩仿真分析

立柱的一级缸活塞腔试验加载为1.5×45.86 MPa＝68.79 MPa;二级缸活塞腔试验加载可通过一级缸与二级缸的有效推力作用面积比换算得到,仿真结果如图3和图4所示。

由图3和图4可以看出,外缸、中缸以及活柱径向变形不一,造成中缸外壁面与外缸内壁面、活柱外壁面与中缸内壁面之间的径向间隙扩大。在中缸、活柱底端,径向间隙的扩大使导向环与内壁面脱离接触,造成该处导向作用失效。

图3 活柱近底部的导向环与中缸内壁脱离接触

图4 活柱缸筒与柱头连接部位产生较大接触应力

中缸内底面倒角处出现应力集中,达598.9 MPa;立柱主体结构的最大应力区域发生在中缸内壁面,为654.8 MPa;活柱轴向受压变形,使在缸筒与底塞、柱头连接部位发生局部结构接触,产生较大的局部应力,达674.839 MPa,均接近立柱结构材料的屈服强度。而焊缝和导向套等其他结构关键部分的最大应力均小于材料的屈服强度。

3.2 全缩回2倍额定载荷压缩仿真分析

在活柱顶端沿立柱轴线施加集中力载荷,大小为18000 k N,仿真结果如图5所示。

图5 活柱缸筒与底塞连接部位产生较大接触应力

由图5可见,作为压力载荷传递路径的必经环节,立柱实例的活柱、中缸底部、外缸底部存在高应力区域。其中,外缸底部最大应力为391.0 MPa;中缸底部最大应力为543.5 MPa,接近中缸结构材料的屈服强度;而在活柱缸筒与底塞、柱头连接部分因结构的局部接触导致较大的局部应力,达674.753 MPa,相同区域的焊缝最大应力达622.2 MPa,接近活柱结构与焊缝材料的屈服强度。

3.3 偏心加载仿真分析

在立柱偏心加载仿真中,活柱顶端按0.3 R偏心量沿立柱轴线平行方向施加额定力载荷9000 k N,仿真结果如图6所示。

图6 活柱缸筒与柱头连接部位的较大局部应力

由图6可见,在翘曲力矩作用下,立柱结构在一、二级活塞腔相关区域、活柱顶端及外缸底部柱窝的接触部分存在高应力,但立柱结构主要部位和焊缝的应力均处于安全范围内。而在活柱缸筒与柱头连接部分因结构的局部接触导致较大的局部应力达794.222 MPa,已超出活柱结构材料的屈服强度。

3.4 分析结论

根据上述仿真结果,活柱缸筒与底塞和柱头连接部分应进行结构修改,消除因结构变形造成的过大局部接触应力;外缸和中缸底部结构的几何特征过渡边界尽可能使用圆角过渡,减小应力集中;适当增大外缸和中缸壁厚或优化缸筒结构,增大径向刚度,避免发生塑性涨缸变形,防止因径向间隙扩大产生导向和密封失效。

5 结语

本文参照标准GB 25974.2－2010与EN1804－2:2002中的关于立柱静态中心过载压缩性能及偏心加载性能的测试检验方法,构建了超高端液压支架的大缸径双伸缩型立柱的有限元模型,在模型中充分考虑了焊缝和导向环等关键结构细节的受载特性。通过仿真分析,指出该型立柱的活柱组件连接部分易因结构变形产生较大局部接触应力;导向环和动密封存在与缸体脱离接触以及导致密封与导向作用失效的可能,为立柱结构设计优化提供指导。

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Finite element strength analysis on doubly-telescopic legs of ultra-advanced hydraulic support

Gao Youjin1,Liang Chengyuan2,Xie Dedong2,Yang Wenming1,Chen Xuedong2
(1.Zhengzhou Coal Mining Machinery Group Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan 450013,China; 2.State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,Hubei 430074,China)

In this paper,the finite element model of a doubly-telescopic leg of ultra-advanced large mining-height hydraulic support was established for exhaustive and accurate strength analysis,with the consideration of stress situation of key components such as welds and guide rings. The simulation analysis of legs under static center-overload or eccentric load showed that the larger contact stress easily formed at structural connections in mobile column,which possibly caused the non-contact of guide rings and dynamic sealant with cylinder body.

hydraulic support,doubly-telescopic leg,finite element analysis,key components,stress

TD355.4

A

高有进(1963－),男,河南辉县人,教授级高级工程师,2008年于华中科技大学获博士学位,现任郑州煤矿机械集团股份有限公司副总经理、总工程师,主要从事煤矿机械研究。

(责任编辑 路 强)

郑州市重大科技专项资助项目(131PZDZX006)