陳海斌

（山西寧武大運華盛莊旺煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 036799）

0 引言

我國是世界上主要的煤炭生產(chǎn)國之一。煉焦煤主要生產(chǎn)在具有長壁采煤工藝的礦山中。在過去十多年，長壁開采產(chǎn)生的煤炭份額一直在穩(wěn)步增加，而長壁開采的煤炭數(shù)量在減少。因此，長壁采礦設(shè)備的可靠性和使用壽命是首要考慮因素。機械化頂板支架用于長壁采礦開采，液壓立柱是基本支承元件。提高液壓支柱性能是研究的一個高度優(yōu)先的主題。目前，有限元法（FEM）被廣泛用于通過數(shù)值算法解決實體的實際問題。為了研究應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)并定義液壓立柱的基本參數(shù)，使用Solid Works Simulation 軟件包開發(fā)了有限元模型。該軟件提供了模擬工具來創(chuàng)建3D 產(chǎn)品設(shè)計并進行所需的分析。通過使用SolidWorks Flow Simulation 的附加模塊，可以輕松模擬立柱周圍液壓油與金屬結(jié)構(gòu)之間的相互作用，并且明確了三維模型的參數(shù)和邊界條件。研究液壓支柱應(yīng)力- 應(yīng)變狀態(tài)的主要任務(wù)是指定模型的中心角α，并確定缸體厚度上的相關(guān)重要參數(shù)[1-6]。

1 角度α 對立柱模型有限元精度的影響

1.1 立柱簡介

立柱是雙作用液壓缸，又分為雙伸縮立柱、單伸縮立柱和機械加長桿立柱。是液壓支架的主要承載頂板壓力的部件之一。雙伸縮雙作用立柱，該類型立柱調(diào)高范圍大，屬于全二級液壓無級調(diào)高，操作方便靈活、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工要求高、成本比較高。多用于薄煤層和大高采)；單伸縮雙作用立柱特點為結(jié)構(gòu)簡單、可靠，屬于無級液壓調(diào)高，調(diào)整方便，但是調(diào)整范圍小，多用在小型放頂煤支架上。單伸縮雙作用帶機械加長桿立柱，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)高范圍大，有液壓無級和機械加長桿兩種調(diào)高方式，經(jīng)常采用液壓無級調(diào)整高度。

可見無論什么類型的立柱結(jié)構(gòu)，都有液壓缸利用液壓油進行伸縮驅(qū)動，立柱與油缸為聯(lián)動單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，如何利用有限元仿真軟件進行精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)合理性計算值得研究。該整體結(jié)構(gòu)受到了多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，包括中心角和有限元網(wǎng)格質(zhì)量的影響，其他部件還包括機械部件和液壓部件，采用常規(guī)的方式對立柱油缸進行精確建模有一定難度。

1.2 模型建立

以M138 型號液壓支架的液壓立柱油缸作為仿真模型進行研究。三維模型的構(gòu)建是通過將工作圓筒的對稱輪廓、頭部和焊縫繞著中心角α 的縱軸旋轉(zhuǎn)而創(chuàng)建的，如圖1 所示。為了比較模型的質(zhì)量，選取了90°、180°和360°這三種角度。液壓缸的所有這些部件都使用了30 根Q345 鋼。該鋼具有以下性能：彈性模量E=2.05×1011Pa；屈服強度[σТ]=830×106Pa；泊松比μ=0.3。橫截面示意圖模型如圖2 所示。

圖1 液壓支架立柱油缸模型示意圖

圖2 液壓缸模型的輪廓

為了補償結(jié)構(gòu)中被忽略的部分對角度α 為90°、180°的模擬模型表面的影響，應(yīng)用了邊界條件“對稱”。“在球面上”的邊界條件，除了沿油缸縱軸的運動外，適用于所有模型的油缸蓋的球形部分。在模擬裝配中組件交互條件時，指定了接觸條件“無干涉”和“表面到表面”選項。連接油管和油缸缸蓋的焊縫由單獨的單元建模。有限元分析中的單元尺寸按照建議指定為6 mm，網(wǎng)格類型為“實體網(wǎng)格劃分”“基于曲率的網(wǎng)格”。網(wǎng)格劃分采用自動劃分的方式。有限元尺寸的減小導(dǎo)致了研究過程中誤差的增加，并延長了計算時間[1-4]。

在加載氣缸模型時，對內(nèi)表面和氣缸蓋施加工作流體試驗壓力；根據(jù)此類液壓立柱的強度試驗技術(shù)和程序，試驗壓力Р 的值為60 MPa。各型號采用氣缸延長0.25H、0.5H、0.75H、H，其中H 為液壓立柱M138第一級活塞桿延伸，如圖3 所示。

圖3 活塞桿在液壓支架立柱油缸的位置

1.3 數(shù)據(jù)求解

根據(jù)中心角度對每個模型在特定位置的模擬結(jié)果進行讀數(shù)，如圖4 所示，使用α=90°的模型的讀數(shù)位置為NO.1、NO.2；使用α=180°的模型為NO.1、NO.2、NO.3；使用α=360°的模型為NO.1、NO.2、NO.3、NO.4。

圖4 在中心角度的模型上讀取數(shù)據(jù)的位置

作為上述模型的有限元解法的結(jié)果，定義了von Mises 應(yīng)力和不同位置的誤差，讀取讀數(shù)的位置，如圖5 所示。通過與中心角α=360°的模型獲得的結(jié)果進行比較來計算誤差。圖5 顯示了計算誤差在外加壓力內(nèi)沿圓柱長度分布的示例。圖5 中α=90°和α=180°在油缸壓力負(fù)荷下，在每延長0.25 H 的施加壓力下，沿缸筒長度分布計算的平均誤差。

圖5 模型計算相對誤差計算結(jié)果

對所有模型變量獲得的誤差分析表明，α=90°模型的最大值為2.2%～3.8%，α=180°模型的最大值為2.0%～4.2%，在這些情況下，最大值位于焊縫附近。為了進一步研究，中心角α=90°的模型更能滿足要求，因為其更精確，使用需要更少的組件，從而減少了計算時間[5]。

2 尺寸參數(shù)的確定

隨著網(wǎng)格自動完成并且單元尺寸精確，網(wǎng)格在整個模型幾何中生成，只有一個單元尺寸，如圖6 所示。從圖6 中可以看出，默認(rèn)情況下程序沒有壓縮接觸區(qū)域，這表明結(jié)果中的最大誤差是在焊縫與油缸和油缸蓋接觸的區(qū)域。有必要分別確定油缸、油缸蓋和焊縫的尺寸[6]。

圖6 油缸模型自動生成網(wǎng)格

根據(jù)有限元計算結(jié)果，確定為缸壁厚h 與缸壁中擬合的元素的整數(shù)數(shù)量Δ 的比率h/Δ。對于所考慮的液壓缸，壁厚為24 mm；因此，對于網(wǎng)格劃分的數(shù)值模擬，24 mm、12 mm、8 mm、6 mm、4 mm、3 mm、2 mm 的有限元尺寸可以用于氣缸和氣缸蓋，24 mm、12 mm、8 mm、6 mm、4 mm、3 mm、2 mm、1 mm、0.8 mm、0.5 mm、0.4 mm 的尺寸用于焊接。進行對比模擬分析計算，確定von Mises 應(yīng)力，以證明4 mm 的尺寸對于油缸和油缸蓋是最佳的焊縫尺寸，而0.4 mm 的尺寸對于焊縫外缸體壁來說是最佳的。

3 結(jié)語

煤礦液壓支架是保障工作面安全穩(wěn)定開采的關(guān)鍵性設(shè)備，并且能為作業(yè)人員提供足夠的作業(yè)空間。液壓支架最主要的支撐部件為液壓立柱，該部件利用液壓油進行驅(qū)動，實現(xiàn)長度的變化，油缸根據(jù)工序不同也將對其內(nèi)部油腔大小進行變化。研究中開展了對液壓支撐立柱油缸的建模分析計算，利用SolidWorks FlowSimulation 對用于礦井工作面頂板支撐的液壓支柱油缸的有限元模型進行了研究，為獲得合理的液壓支架立柱油缸結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了依據(jù)。結(jié)果表明，根據(jù)仿真對多組尺寸參數(shù)的對比分析，中心角α=90°的模型是最合理的，油缸制造可按此角度進行生產(chǎn)。在這種情況下，為了保證油缸的工作性能，焊縫尺寸必須小于氣缸和缸蓋壁厚的1/6，最好小于焊縫外缸體壁厚的1/160。