论文部分内容阅读
[摘 要] 对液压支架底调千斤顶进行抗弯受力分析，给出活塞杆外伸式和缸体外伸式两种型式底调千斤顶的抗弯强度计算模型，建立底调千斤顶的三维模型，并采用ANSYS Workbench对其进行有限元分析。结果表明：相同材料、缸径、杆径和摩擦力条件下，缸体外伸式底调千斤顶抗弯强度较大；两种底调千斤顶弯曲应力最大地方出现在外伸部件与活塞或导向套接触处。
[关键词] ANSYS 底调千斤顶 抗弯强度
前言
底调千斤顶是液压支架的一个重要部件。煤矿生产中，特别是在底板条件较差，煤层倾斜的工作面，支架移架后会产生歪斜的情况，不利于支架管理及推溜作业。底调千斤顶用于在支架移架过程中调整相邻支架，以保证支架整体同步及稳定，有效管理支架和支护顶板，便于顺利推溜，保证安全、高效生产。底调千斤顶的抗弯强度是其设计时要考虑的关键参数，本文以理论计算和有限元分析相结合对底调千斤顶进行抗弯强度计算和分析，为其设计提供参考。
1.底调千斤顶受力分析
如图1所示为两液压支架底座间底调千斤顶的示意图。
1-支架a，2-底调千斤顶，3-支架b
图1两底座间底调千斤顶示意图
液压支架在工作面经常是在移架过程中利用底调千斤顶调架，因此底调千斤顶除受液压油产生的推力外，在千斤顶端头作用一个摩擦力。由于千斤顶和底座侧板是点接触，其压强很大，故它们之间的摩擦因数f取值为0.4，摩擦力按下式计算，即
T=fp=0.4P (1)
式中：T——摩擦力(N)；
f——摩擦因数；
P——千斤顶推力(N)。
底调千斤顶所受到的最大弯矩为：
M=Tl=0.4Pl (2)
式中：M—— 千斤顶最大弯矩(N.mm)；
l——千斤顶伸出长度(mm)。
2.底调千斤顶抗弯强度计算
在实际应用中，底调千斤顶分为：缸体固定活塞杆外伸和活塞杆固定缸体外伸两种型式。
当千斤顶伸出是活塞杆时，
活塞杆抗弯截面模量为：
W=0.0982d3
式中：W——抗弯模量(mm3)；
d——活塞杆直径(mm)。
弯曲应力：
式中：—— 活塞杆材料的屈服强度(MPa)。
当千斤顶伸出是缸体时，
缸体的抗弯截面模量：
式中：W——抗弯模量(mm3)；
D——缸体外径(mm)；
d1——缸体内径(mm)。
弯曲应力：
式中：—— 缸体材料的屈服强度(MPa)。
为了分析活塞杆外伸式和缸体外伸式两种类型底调千斤顶抗弯强度，这两种千斤顶采用相同缸径、杆径、推力和外伸长度。由式1—6计算得底调千斤顶弯曲应力。表1所示为活塞杆外伸式和缸体外伸式两种类型底调千斤顶相关参数。
3.有限元分析
3.1 三维模型建立
利用SolidWorks2011建立底调千斤顶的三维模型，如图1,2所示。
3.2 材料与属性
底调千斤顶的活塞杆和缸体材料采用27SiMn，其弹性模量E=206X109Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850Kg/m3，屈服强度σs=835MPa。
图1活塞杆外伸式底调千斤顶 图2缸体外伸式底调千斤顶
3.3 边界条件与载荷
底调千斤顶的支撑部件为活塞和导向套，因此在相同外伸长度，将活塞和导向套固定，外伸部件与活塞和导向套间定义面面接触，底调千斤顶在调整支架过程中主要受到作用在千斤顶端头上摩擦力。
3.4 网格划分
采用ANSYS Workbench中提供的10节点四面体单元Solid187划分实体，划分后活塞杆外伸式和缸体外伸式底调千斤顶分别生成151341和107061个节点。
3.5 结果分析
经过有限元计算分析得到活塞杆外伸式底调千斤顶活塞杆应力云图，如图3所示；缸体外伸式底调千斤顶缸体应力云图，如图4所示。
由图3活塞杆应力云图可知，活塞杆外伸式底调千斤顶活塞杆与导向套接触处的最大应力为352MPa，略大于计算值332MPa。
由图4缸体应力云图可知，缸体外伸式底调千斤顶缸体与活塞接触处的最大应力为159MPa，略大于计算值107MPa。
4.结束语
通过对液压支架底调千斤顶抗弯受力分析、计算和有限元分析得出：
(1) 底调千斤顶的分析值略大于计算值；两种底调千斤顶的计算应力和分析应力最大应力都小于所用材料的屈服强度835MPa，抗弯强度足够，满足工况需求。
(2) 相同材料、缸径、杆径和摩擦力条件下，缸体外伸式底调千斤顶抗弯强度较大，两种底调千斤顶最大弯曲应力出现在外伸部件与活塞或导向套接触处。
根据两种底调千斤顶的抗弯强度及实际使用情况，缸体外伸式底调千斤顶更适合。
参考文献：
[1] 王国法，史元伟，陈忠恕等.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.
[2] 浦广益.ANSYS Workbench 12 基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010.
作者简介：
崔艳菊 (1977— ) ，女，河南省平顶山襄县人，助理工程师，现工作于河南省平顶山市中平能化集团机械制造有限公司。
[关键词] ANSYS 底调千斤顶 抗弯强度
前言
底调千斤顶是液压支架的一个重要部件。煤矿生产中，特别是在底板条件较差，煤层倾斜的工作面，支架移架后会产生歪斜的情况，不利于支架管理及推溜作业。底调千斤顶用于在支架移架过程中调整相邻支架，以保证支架整体同步及稳定，有效管理支架和支护顶板，便于顺利推溜，保证安全、高效生产。底调千斤顶的抗弯强度是其设计时要考虑的关键参数，本文以理论计算和有限元分析相结合对底调千斤顶进行抗弯强度计算和分析，为其设计提供参考。
1.底调千斤顶受力分析
如图1所示为两液压支架底座间底调千斤顶的示意图。
1-支架a，2-底调千斤顶，3-支架b
图1两底座间底调千斤顶示意图
液压支架在工作面经常是在移架过程中利用底调千斤顶调架，因此底调千斤顶除受液压油产生的推力外，在千斤顶端头作用一个摩擦力。由于千斤顶和底座侧板是点接触，其压强很大，故它们之间的摩擦因数f取值为0.4，摩擦力按下式计算，即
T=fp=0.4P (1)
式中：T——摩擦力(N)；
f——摩擦因数；
P——千斤顶推力(N)。
底调千斤顶所受到的最大弯矩为：
M=Tl=0.4Pl (2)
式中：M—— 千斤顶最大弯矩(N.mm)；
l——千斤顶伸出长度(mm)。
2.底调千斤顶抗弯强度计算
在实际应用中，底调千斤顶分为：缸体固定活塞杆外伸和活塞杆固定缸体外伸两种型式。
当千斤顶伸出是活塞杆时，
活塞杆抗弯截面模量为：
W=0.0982d3
式中：W——抗弯模量(mm3)；
d——活塞杆直径(mm)。
弯曲应力：
式中：—— 活塞杆材料的屈服强度(MPa)。
当千斤顶伸出是缸体时，
缸体的抗弯截面模量：
式中：W——抗弯模量(mm3)；
D——缸体外径(mm)；
d1——缸体内径(mm)。
弯曲应力：
式中：—— 缸体材料的屈服强度(MPa)。
为了分析活塞杆外伸式和缸体外伸式两种类型底调千斤顶抗弯强度，这两种千斤顶采用相同缸径、杆径、推力和外伸长度。由式1—6计算得底调千斤顶弯曲应力。表1所示为活塞杆外伸式和缸体外伸式两种类型底调千斤顶相关参数。
3.有限元分析
3.1 三维模型建立
利用SolidWorks2011建立底调千斤顶的三维模型，如图1,2所示。
3.2 材料与属性
底调千斤顶的活塞杆和缸体材料采用27SiMn，其弹性模量E=206X109Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850Kg/m3，屈服强度σs=835MPa。
图1活塞杆外伸式底调千斤顶 图2缸体外伸式底调千斤顶
3.3 边界条件与载荷
底调千斤顶的支撑部件为活塞和导向套，因此在相同外伸长度，将活塞和导向套固定，外伸部件与活塞和导向套间定义面面接触，底调千斤顶在调整支架过程中主要受到作用在千斤顶端头上摩擦力。
3.4 网格划分
采用ANSYS Workbench中提供的10节点四面体单元Solid187划分实体，划分后活塞杆外伸式和缸体外伸式底调千斤顶分别生成151341和107061个节点。
3.5 结果分析
经过有限元计算分析得到活塞杆外伸式底调千斤顶活塞杆应力云图，如图3所示；缸体外伸式底调千斤顶缸体应力云图，如图4所示。
由图3活塞杆应力云图可知，活塞杆外伸式底调千斤顶活塞杆与导向套接触处的最大应力为352MPa，略大于计算值332MPa。
由图4缸体应力云图可知，缸体外伸式底调千斤顶缸体与活塞接触处的最大应力为159MPa，略大于计算值107MPa。
4.结束语
通过对液压支架底调千斤顶抗弯受力分析、计算和有限元分析得出：
(1) 底调千斤顶的分析值略大于计算值；两种底调千斤顶的计算应力和分析应力最大应力都小于所用材料的屈服强度835MPa，抗弯强度足够，满足工况需求。
(2) 相同材料、缸径、杆径和摩擦力条件下，缸体外伸式底调千斤顶抗弯强度较大，两种底调千斤顶最大弯曲应力出现在外伸部件与活塞或导向套接触处。
根据两种底调千斤顶的抗弯强度及实际使用情况，缸体外伸式底调千斤顶更适合。
参考文献：
[1] 王国法，史元伟，陈忠恕等.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.
[2] 浦广益.ANSYS Workbench 12 基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010.
作者简介：
崔艳菊 (1977— ) ，女，河南省平顶山襄县人，助理工程师，现工作于河南省平顶山市中平能化集团机械制造有限公司。