DWX型液压支柱顶盖的有限元分析与研究

李爱民， 陈元， 慈蕾

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116；2.中国石油天然气管道局第二工程公司，江苏徐州221008）

DWX型液压支柱顶盖的有限元分析与研究

李爱民1， 陈元2， 慈蕾2

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏徐州221116；2.中国石油天然气管道局第二工程公司，江苏徐州221008）

对DWX型液压支柱的顶盖在中心和偏心载荷下的受力进行了分析。使用有限元分析软件得出中心载荷下铰接顶盖的应力状态，分析在中心载荷和偏载下销头螺栓的受力情况。

液压支柱；顶盖；应力；有限元

0 引言

单体液压支柱属于煤矿单体支护设备，主要用于高档普采工作面的顶板支护和综采工作面的端头支护。我国1960年代开始研究单体液压支柱，单体液压支柱具有许多优点，在回采工作面的使用，促进了安全生产，降低了辅助材料的消耗，取得了良好的效果。DWX型液压支柱是经过十余年时间研制出的最新单体支护产品，该产品系国家发明和实用新型专利技术。DWX型液压支柱主要部件包括活柱、油缸、手把阀体、顶盖、密封盖、底座和复位弹簧等，其中密封盖、活柱、油缸、底座和手把阀体形成密封腔体。当支柱处于工作状态时，密封腔体内充满高压液体作用在密封盖上形成悬浮力，分担了支柱的大部分工作阻力；与油缸重合的活柱体部分浸在工作介质中呈悬浮状态，因此称这种支柱为柱塞悬浮式液压支柱。

单体液压支柱顶盖是将顶板岩石压力传递到支柱上的部件，即支柱对顶板的支撑必须通过顶盖来进行，顶盖为顶板压力的直接承载部件。常用的顶盖有3种类型：球面形顶盖、铰接顶盖和柱帽。由于液压支柱承载受压的工作阻力全部直接作用在铰接顶盖上，因此有必要了解顶盖的应力状态。本文在对顶盖进行受力分析的基础上，使用有限元分析软件对顶盖进行应力分析。

1 顶盖的结构与受力

DWX型液压支柱采用的是铰接顶盖，结构如图1所示，铰接顶盖与活柱体之间通过销头螺栓3连接。

1.1 中心载荷下顶盖的受力

液压支柱中心承载的状态下，铰接顶盖的受力如图2所示。支柱的工作阻力P依靠活柱体和液压悬浮力共同承担，因此销头螺栓在中心载荷的条件下基本不受力，在结构中起连接作用。岩石压力作用于铰接顶盖，传递至活柱体，图2中f1即为活柱体分担的支柱工作阻力对顶盖的作用；同时，在液体压力的作用下，密封盖将与铰接顶盖密切接触，液体对密封盖的作用力形成悬浮力，则悬浮力分担了其余的支柱工作阻力，图2中f2即为悬浮力通过密封盖对顶盖的作用。

图1 顶盖结构

图2 中心载荷下顶盖受力

在支柱密封腔高压液体压力p的作用下，可以认为f1、f2在作用的环形面内均匀分布。顶板底板与活柱体之间为间隙配合，因此二者之间无相互作用力。根据对活柱体的受力分析可知，f1的大小等于液体内压p；f2可按下式计算：

式中，S0为密封盖的底面积；S1为密封盖与顶盖的接触面积。

1.2 偏心载荷下顶盖的受力

液压支柱承受偏心载荷时，铰接顶盖的受力如图3所示。除中心载荷下的作用力f1、f2外，由于载荷偏离中心而产生弯矩 Me作用，图3中的偏心作用产生的弯矩使顶盖的右边部分产生上移趋势，而左边部分产生下移趋势，销头螺栓因此承受剪力，作用在顶盖上如图示F1、F2；同侧偏心下液压支柱中存在横向力Q作用，以铰接顶盖为分析对象时，横向力为Q、Q′。液压支柱受压承载后发生变形，因此产生的附加弯矩较小可忽略不计。

图3 偏心载荷下顶盖的受力

根据力与弯矩的平衡及销头螺栓的分布位置可得：

式中，h、d如图3所示，S2为活柱体截面面积。由式（2）可得F1、F2的大小。

2 顶盖的应力及分析

2.1 顶盖的实体模型与材料参数

图4 铰接顶盖实体模型

铰接顶盖是由顶盖底板、销钉和球形支座等组成。建立100缸径DWX型液压支柱的铰接顶盖和球形支座的零件模型，并组合在一起如图4所示，在模型中忽略了顶盖顶板上的柱爪、倒角等结构。液压支柱在井下使用一段时间后，球形支座与顶盖底板容易卡在一起，因此进行有限元分析时按照图4中二者之间的相对位置进行分析。

顶盖底板和球形支座是35钢锻件，材料的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.27，经热处理后，材料的强度极限为565 MPa，屈服极限为300 MPa。

2.2 中心载荷下顶盖的应力

根据液压支柱的工作条件，铰接顶盖受岩石压力作用，其顶部在X、Y、Z三方向的位移受到约束，因此限制铰接顶盖顶部在X、Y、Z方向的移动自由度；由铰接顶盖在中心载荷下的受力分析，施加作用在铰接顶盖分布力f1和f2。

Pro/MECHANICA（简称Pro/M）是美国PTC开发的有限元软件，可以实现和Pro/ENGINEER（简称Pro/E）三维设计软件完全无缝的集成。

在Pro/M软件中设定顶盖的材料参数、位移约束和载荷条件，建立并运行铰接顶盖的静态结构分析，在分析的过程中生成铰接顶盖的网格如图5所示。以Fringe的方式显示铰接顶盖组件中顶盖底板和球形支柱的合成应力如图6所示。

图5 铰接顶盖的网格划分

2.3 结果分析

由图6可以看出，中心载荷状态下的铰接顶盖，顶盖底板与球形支座接触处的应力略大，其余部分的应力均很小。不计顶盖底板局部的应力集中，其最大合成应力大约为168MPa，远小于材料的强度极限及屈服极限，因此中心载荷下顶盖底板有足够的强度。球形支座局部的应力较大，岩石压力作用下球形支座局部的变形不会影响液压支柱的正常使用。

图6 中心载荷下顶盖底板与球形支座的应力

根据对铰接顶盖中心载荷下的受力和有限元分析、以及偏心载荷的受力分析，可以得出如下结论：1）在中心载荷下，液压支柱铰接顶盖不会出现强度问题，球形支座承载后的局部变形不会影响液压支柱的正常使用。2）液压支柱处于中心载荷状态时，连接铰接顶盖和活柱体的销头螺栓基本不受力的作用；而在偏心载荷下，因偏心产生弯矩而承受一定的轴向力。3）中心载荷下，铰接顶盖的大部分应力较小，因此在液压支柱使用中应尽量采取措施减小载荷的偏心程度。

3 结语

本文对DWX型液压支柱的铰接顶盖中心和偏心载荷下的受力了进行分析，对铰接顶盖的受力分析可以看出，中心载荷下销头螺栓不受力的作用；液压支柱的铰接顶盖在中心载荷下无强度问题，其局部变形不会影响液压支柱的正常使用。

［1］ 李炳文，朱冬梅，马显通，等.柱塞悬浮式单体液压支柱［J］.中国矿业大学学报，2003（5）：587-589.

［2］ 陈世其.DWX型单体液压支柱动态特性的研究［D］.西安：西安理工大学，2004.

［3］ Toogood R.Pro/MECHANICA Structure-Student Edition Tutorial［M］.Schroff Development Corporation Publications，2001.

［4］ 胡海峰.基于实体的有限元建模技术［J］.机械，2003（5）：78-80.

（编辑：启 迪）

Finite Element Analysis&Research of the DWX-type Hydraulic Prop Header

LI Aimin1,CHEN Yuan2,CI Lei2
（1.Jiangsu Institute of Architectural Technology,Xuzhou 221116,China;2.The 2nd Pipeline Construction Company of China Petroleum Pipeline Bureau,Xuzhou 221008,China）

The stress of Hydraulic Prop header is analyzed under the center-loaded and eccentric-loaded condition. Finite element analysis of hydraulic prop header is carried out to analyze the header stress under the center-loaded condition.The stress of bolt under the center-loaded and eccentric-loaded condition is analyzed.

hydraulic prop;header;stress;finite element

TP 391.7

A

1002－2333（2014）04－0147－02

李爱民（1976—），男，讲师，硕士，主要从事机电一体化产品的研发与教学工作。

2014-01-20