ZY12000/28/62D 掩护式液压支架立柱有限元分析研究

郭海军

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司， 山西 长治 046699）

引言

立柱作为液压支架的重要组成部分，其工作行程将会直接影响整体液压支架的工作状态和工作效率。结合实际情况来看，在综采工作面生产施工中，液压支架相关生产事故大多由立柱和千斤顶失效、失稳等因素引起。因此，对立柱进行有限元分析，探寻出一种最适用于立柱性能分析的有限元分析方法，及时发现和解决立柱存在的安全隐患，避免引发更为严重的问题，降低安全风险和生产成本，保护生产人员及设备的安全，有着一定的现实价值。

1 液压支架立柱类型及结构

液压支架作为煤矿综采工作面中一种常用液压动力装备，其主要作用是支撑工作面顶板，保证工作面安全性以及推移采运设备不断移动。现阶段，市面上各类液压支架种类相对较多，对所有液压支架种类进行归纳汇总后，可将其大致划分为掩护式液压支架、支撑式液压支架以及支撑掩护式液压支架三大类，不同液压支架之间的实际结构虽然存在一定差异，但实际立柱结构却大致相同。通常情况下，液压支架立柱类型可以归纳为单伸缩立柱、机械加长杆单伸缩立柱、双伸缩立柱以及三伸缩立柱四大类。本文将以双伸缩立柱中的ZY12000/28/62D 掩护式液压支架立柱为例对液压支架立柱结构进行分析介绍，具体立柱结构如图1 所示。

图1 ZY12000/28/62D 掩护式液压支架立柱结构

2 液压支架立柱模型构建

2.1 立柱结构简化

ZY12000/28/62D 掩护式液压支架立柱作为双伸缩立柱，其主体结构大致可分为底液压缸、中液压缸、导向套、活柱等部分，除以上主体结构外，立柱还存在大量细节结构，所以若是完全根据立柱结构进行模型构建，不仅会浪费大量的模型构建时间，而且还会对后续液压支架立柱有限元分析效率及效果造成影响，严重的甚至可能会引发因计算机运行资源不足而停止运算的情况。因此，在模型构建前，需要对立柱结构进行适当简化，具体简化内容如下：

1）由于立柱焊缝强度高于壳体强度，所以可简化焊缝；

2）立柱中存在部分受力影响较小的孔、接头的细节结构，对其进行适当忽略；

3）根据立柱工作特点，将立柱上下腔内液体视作为不流动静流体，并忽略液体入口和出口接头部分；

4）底座和底液压缸视作为一个整体，忽略接头部分；

5）将导向环、密封环、挡圈等部分均视作为导向套整体的一部分；

6）一级活塞、中液压缸、底阀、外部卡键、支撑阀视作为一个整体。

2.2 立柱模型构建

基于液压支架立柱结构简化内容，合理构建各部分模型，并将所构建出的模型进行合理装配，最终所获取到的液压支架立柱模型如下页图2 所示。

图2 液压支架立柱模型

2.3 含液伸缩立柱模型构建

由于研究中还需要进行流固耦合分析，所以还需要以上文所构建的液压支架立柱模型为基础，进一步构建含液双伸缩立柱模型，由此来有效避免液压支架立柱模型中液体部分与固体部分相互重叠，保障模型有限元分析的精准性。

3 液压支架立柱有限元分析

有限元分析需要先将1/4 立柱模型导入ANSYS软件，然后设置模型单元属性，但由于后续研究中还需要开展流固耦合分析，所以在模型单元设置时还需要对相关内容进行综合考虑。最终在综合分析后选择SOLID185 单元。

在选择模型单元后，为保障模型分析效率及精度，还需要开展网格划分。常用的网格划分方式包括自由划分、映射划分以及混合划分，本研究中为提高计算速度，保障精算进度，最终选用混合划分方式，划分结束后获取单元数为100590 个，节点数为42349个，具体模型如图3 所示。

图3 液压支架立柱1/4 网格模型

3.1 结构强度有限元分析

基于液压支架立柱1/4 网格模型，通过ANSYS软件利用直接法进行计算求解，进而获取到的求解结果如图4 所示。

图4 液压支架立柱的应力云图和位移云图

由图4 可知，液压支架立柱的最大应力点位于中液压缸中部偏上位置，最大应力值为742.382 MPa；液压支架立柱的最大位移点位于活柱底部位置，最大位移量为1.25213 mm。

如图5 所示，液压支架立柱底液压缸的最大应力点位于底液压缸与中液压缸连接处的内表面位置，最大应力值为604.455 MPa；液压支架立柱底液压缸的最大位移点位于底液压缸与中液压缸连接处的内表面上端区域，最大位移量为0.600774 mm。

图5 液压支架立柱底液压缸的应力云图和位移云图

中液压缸、活柱等部位的有限元分析过程与底液压缸的有限元分析过程大致相同，两者的最大应力点分别位于底液压缸与中液压缸连接处的内表面位置、活柱底部，最大应力值分别为742.493 MPa、453.954 MPa；同时两者的最大位移点分别位于中液压缸底部和活柱底部，最大位移量分别为0.937776 mm、1.253314 mm。

3.2 流固耦合有限元分析

基于液压支架立柱1/4 网格模型，通过ANSYS软件利用直接法进行计算求解，进而获取到的求解结果如表1 所示。

表1 流固耦合有限元分析结果对比表

4 有限元分析方法的实践应用效果分析

结合有限元分析结果来看，相对来说，流固耦合有限元分析中对液压支架立柱含液情况下的应力和位移进行充分考虑，所以相对于无液分析来说含液有限元分析结果更接近力学计算结果，更具有参考价值。因而在实施液压支架有限元模型分析中，应优先选用流固耦合有限元分析方法。基于此研究结果，将流固耦合有限元分析方法应用于液压支架立柱检验工程实践中，最终发现此种方法相较于传统方法更易发现立柱中存在的安全隐患，对其液压支架立柱设计优化及检修分析均有着一定参考价值[1-4]。

5 结语

通过有限元模型分析发现，相对于结构强度有限元分析方法来说，流固耦合有限元分析方法更符合力学计算特征，所以在后续液压支架立柱设计优化及结构检验中应优先采用流固耦合有限元分析方法。同时，为进一步验证此结果的有效性，研究中还开展工程实践，并在实践中有效鉴证流固耦合有限元分析方法的有效性。