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基於ANSYS workbench液壓支架立柱強度分析

發布於:2018-03-06 21:12
有限元分析

       以鄭州煤機廠生產的7m大采高支架為研究模型,根據支架的工作要求,2根立柱共需要承擔16800kN的工作阻力,以此為基礎得到單根立柱的額定工作阻力為8400kN,初撐力為6185kN,並根據有限元分析缸體材料的抗拉強度和屈服強度,取較大的安全係數,計算得到立柱大缸的外徑為580mm、內徑為500mm,中缸的外徑為470mm、內徑為380mm。
       缸體材料選擇常用的27SiMn無縫鋼管,其抗拉強度980MPa,屈服強度835MPa。在液壓支架立柱工作過程中,液壓油是完全封閉在液壓缸內,可以簡化為圓筒形受壓容器,在對這種容器分析中,其內部應力狀態是與缸體內徑與缸體厚度的比值有關的,在本例中,外缸與中缸的徑厚比都遠大於3.2,將其歸為厚壁容器,缸體理論壁厚經計算發現中缸的實際內部液體作用所受到的應力最大,在安全係數取5時,中缸理論計算厚度為74mm,外缸理論壁厚為52mm;安全係數取3時,中缸理論計算厚度為42mm,外缸理論厚度為30m,中缸厚度為45mm,外缸厚度為40mm,設計可靠。
       在實際工況中,液壓支架所受到的力包括沿著軸心的軸向壓力,同時也包括與軸向成一定角度的非軸向作用力。綜合礦壓、支護係統特性等特征,依據MT313-92《液壓支柱技術條件》中的規定,本研究選取其中2項立柱的強度校核標準:(1)立柱升至最大行程,以額定工作載荷的150%軸向加載,持續5min,不得產生永久性變形和破壞;(2)立柱升至最大行程,在柱頭和缸體同側偏心30mm的位置,以110%額定工作載荷軸向加載,持續5min,立柱整體不得產生永久性變形和破壞。在計算中已經得到中缸、大缸的壁厚能夠完全滿足支撐工作壓力的液壓油產生的應力,在分析中將外缸、中缸、活柱三體之間進行剛性連接,三體之間的力由原來的均布載荷變為集中力,如果在這種情況下設計依然能夠滿足要求,那麽可以確定在實際工況下也能夠滿足要求,同時為加載方便在立柱頂端添加一個與軸線垂直的平麵。
       對液壓立柱以額定工作載荷進行軸向加載,每個缸體的普力比轉均勻,最大應力為476.41MPa,遠低於材料的許用應力。圖所示為150%工作載荷下的應變圖,在圖中所得到的最大應變值為0.0025mm,相對於整體可以忽略,因此設計能夠滿足要求。對液壓立柱以110%額定工作載荷軸向偏心30mm加載,加載過後的整體應力分布情況如圖所示,這種情況下的應力與圖中的應力相差不大,在活柱上表現最明顯,有大約50MPa的應力差,而在中缸與大缸上的應力差很不明顯,而且最大應力也沒有達到150%工作載荷軸向加載時的最大應力;整體應變情況如圖所示,各部分應變的整體分布與應力分布相似,最大應變僅為0.0025,能夠滿足強度標準要求。
       立柱是液壓支架的關鍵部件,直接決定了液壓支架的可靠性與安全性。本研究通過實例介紹了缸體強度的計算過程,並通過建模介紹了支柱強度校核方法,得到了整個支柱的受力狀況與應變情況,為以後工作提供分析參考。


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