（机械工程专业论文）基于ansys的液压缸有限元分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 i 摘要 液压缸作为液压传动系统中最常见的一种动力执行元件，广泛地应用于工程机械 和矿山机械中。液压缸性能的好坏，直接影响到机械设备的工作性能和使用寿命。因 此，采用有限元法对液压缸进行分析，对优化其结构、提高使用寿命以及增加经济效 益均具有重要的意义。 论文首先介绍了本课题的研究背景及意义，对液压缸各个研究方面进行了探讨， 同时对液压支架和有限元法的国内外研究现状进行了分析。然后从液压缸力学模型入 手，对各种传统的液压缸力学模型和分析方法进行了较为深入的研究和探讨。进而运 用理论力学原理对液压缸进行了力学计算，计算出了其挠度、转角以及弯矩，从而进 行了强度校核，同时对其极限承载力进行了分析。 论文其次以z y 3 6 0 0 1 2 2 7 5 型液压支架液压缸为例，运用p r o e 三维建模软件建 立了液压缸( 立柱) 的三维模型，为后面的有限元分析提供实体模型；接着运用a n s y s 有限元分析软件对液压缸( 立柱) 进行了应力和稳定性分析，得出了其变形和应力图， 并进行了强度和稳定性校核；同时采用等截面法对平衡千斤顶进行了压杆稳定性理论 计算，将a n s y s 分析结果与计算结果进行了比较，两者基本一致，验证了有限元分析 方法的正确性。 论文最后对全文进行了归纳和总结，对液压缸有限元分析的研究前景进行了展望。 关键词：液压缸；有限元分析；应力；稳定性；a n s y s 西南交通大学硕士研究生学位论文 i l a b s t r a c t a so n ek i n do ft h em o s tc o m m o np o w e ra c t u a t o r si nt h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ， h y d r a u l i cc y l i n d e ri sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n gm a c h i n e r ya n dm i n i n gm a c h i n e r y t h e p e r f o r m a n c eo ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e rd i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f eo f m e c h a n i c a le q u i p m e n t t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt oo p t i m i z es t r u c t u r e ，i m p r o v es e r v i c el i f e a n di n c r e a s ee c o n o m i cb e n e f i tu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fh y d r a u l i cc y l i n d e r f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j e c tw e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a n dv a r i o u sr e s e a r c h e so fh y d r a u l i cc y l i n d e rw e r ea l s od i s c u s s e d a tt h es a m et i m e ，ar e v i e w w a se x p a t i a t e df o rt h er e s e a r c hs t a t u sb o t ha th o m ea n da b r o a do fh y d r a u l i cs u p p o r ta n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a f t e r w a r d s ，s t a r t i n gw i t ht h em e c h a n i c a lm o d e lo f h y d r a u l i cc y l i n d e r , a l lk i n d so ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm o d e l sa n da n a l y s i sm e t h o d so fh y d r a u l i cc y l i n d e rw e r e d e e p l yr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d a n dt h e n ，t h ef l e x i v i t y , s t r i k i n ga n g l ea n dm o m e n to f f l e x i o no fh y d r a u l i cc y l i n d e rw e r ec a l c u l a t e du s i n gt h e o r e t i c a lm e c h a n i c sp r i n c i p l e t h e s t r e n g t ho fh y d r a u l i cc y l i n d e rw a sc h e c k e d ，a n dt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yw a sa n a l y z e d s e c o n d l y , t a k et h eh y d r a u l i cc y l i n d e ro fz y 3 6 0 0 1 2 2 7 5t y p eh y d r a u l i cs u p p o r ta sa n e x a m p l e ，a n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fh y d r a u l i cc y l i n d e r ( p i l l a r ) w a se s t a b l i s h e d u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r eo fp r o e ，w h i c hp r o v i d e ds o l i dm o d e lf o rt h e n e x tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n dt h e n ，t h es t r e s sa n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fh y d r a u l i cc y l i n d e r ( p i l l a r ) w e r ep r o c e e d e du s i n gs o f t w a r eo fa n s y s ，g a i n e dt h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s d i a g r a m ，a n dt h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t yw e r ec h e c k e d s i m u l t a n e o u s l y , b yt h ec o n s t a n t s e c t i o nm e t h o d ，c a r r i e do nt h es t r u tb r a c i n gs t a b i l i t yt h e o r yc o m p u t a t i o nt ot h eb a l a n c er a m ， a n dc o m p a r e dt h ea n s y sa n a l y s i sr e s u l t sw i t ht h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h et w or e s u l t sk e p t c o n f o r m i t y ；i ts h o w st h ev a l i d i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a tl a s t ，t h ew h o l er e s e a r c hc o m m i t m e n tw a ss u m m a r i z e d a n dt h er e s e a r c hf o r e g r o u n d o ft h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cc y l i n d e rw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a sa l s og i v e n k e yw o r d s ：h y d r a u l i cc y l i n d e r ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s t r e s s ；s t a b i l i t y ；a n s y s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 量曼璺曼曼量量量蔓皇曼曼曼曼曼黑量曼曼曼曼量寡曼皇曼皇曼皇曼曼皇曼曼曼皇舅曼_ am , m 皇曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼鼍舅曼鼍曼曼笪量曼舅量量曼鼍量量寰曼曼曼曼曼 1 1概述 第1 章绪。论 近年来，随着现代科学技术的发展，各个领域中普遍采用液压传动技术，作为现 代自动化控制技术中的关键技术之一，液压传动技术被世界各国的技术部门重点关注。 我国在液压传动技术的应用方面还不是很成熟。据统计，我国液压传动工业的销售总 额只占到机械工业总产值的1 左右，而主要发达国家却达2 3 5 ，这同时也说明， 我国液压传动技术在市场推广应用方面还具有特别广阔的潜力。 液压缸作为液压传动系统中最常见的动力执行元件，被广泛地应用于工程机械和 矿山机械中。液压支架和单体液压支柱是综采工作面和高档普采工作面的支撑设备， 液压支架中的所有执行元件都是液压缸，用它实现支护、推溜、移架、护帮、护顶、 侧护等功能。液压缸工作性能的好坏，将直接影响到机械设备的使用寿命以及工作性 能。据统计，在综采工作面发生的事故中，顶板管理事故占了绝大多数，其中尤以立 柱和油缸工作失效、胀裂、失稳等为甚【l j 。 目前对液压缸还没有一种先进、可靠、通用的设计分析方法，对液压缸的应力分 析、强度校核和稳定性分析、刚度校核还相当粗糙。在液压缸的设计与校核中各种观 点，各式各样的力学模型和分析方法并存，有待于从更高一级水平上对它们加以分析、 总结，以方便工程设计人员加以选用。所以，采用现代有限元法对各类液压缸进行有 限元分析，对优化其结构、延长其使用寿命以及提高经济效益具有重要的意义。 1 2 论文选题背景和研究意义 1 2 1 选题背景 相对于机械传动技术来说，液压传动技术是一门新兴的技术，其发展历程从十七 世纪中叶时帕斯卡提出的帕斯卡定理开始，但是，由于当时的生产技术水平低下、生 产需求不足等原因，液压传动技术在当时没有得到广泛的应用。1 7 9 5 年，约瑟夫布 拉曼在英国伦敦以水压机的形式将液压传动技术应用于工业中，他将水用作工作介质， 从而发明了世界上的第一台水压机。由于战争的需要，液压传动技术得到了进一步的 发展，并趋于成熟。第二次世界大战期间，由于军事工业建设的需要，开始在很多军 事设备上采用功率大、反应速度快、出击动作准确的液压控制装置，这不仅提高了军 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 事设备的性能，同时也在一定程度上很大地促进了液压传动技术的发展。第二次世界 大战后，液压传动技术开始转向民用工业，开始不断制订和完善各种行业标准，而各 类元器件也开始向着标准化、规格化以及系列化的方向发展。因此，液压传动技术也 随之在工程机械、农业机械和汽车制造业等行业中逐渐推广开来。 我国液压工业起步比较晚，于5 0 年代初起步，当时的各种液压元器件主要由国家 机床厂的液压车间生产和制造，主要是自产自用。到6 0 年代以后，液压传动技术的应 用逐渐从机床领域推广到工程机械和农业机械等其它领域中。进入8 0 年代，随着机械 工业的发展，我国将原先分散在机床、农业机械、工程机械等领域中的液压传动、气 压传动和密封件的专业生产厂，统一划归到通用基础件局管理，从而使得在规划、生 产制造、投资、引进外来先进技术以及科技研发等方面得到了通用基础件局的指导和 支持，同时促使我国液压行业进入了快速发展期。目前，液压传动技术正在向迅速、 高压、高效、高度集成化、低噪声、大功率、经久耐用等方面快速发展。与此同时， 液压系统和液压元件的计算机辅助设计( c a d l 、计算机直接控n ( c d c ) 、计算机辅助 测试( c a t ) 、可靠性技术以及机电一体化技术等领域也是目前液压传动及控制技术研 究和发展的主要方向。 随着生产技术的发展，矿山机械在我国煤炭生产中占有越来越重要的地位，国有 重点煤矿的机械化程度己由改革初期的3 0 提高到了8 0 以上，机械化的快速发展， 一方面改善了采煤的作业环境和条件，极大地降低了煤矿工人的劳动强度，另一方面 也大大地提高了生产效率，降低了生产成本，从而提高了我国的产煤量，极大地促进 了我国煤炭工业的迅速发展。随着机械化程度的提高，液压系统中的压力也从原来的 1 0 m p a 左右提高到了3 5 m p a 。研究表明，不论在国内还是在国外，煤炭工业对液压设 备的要求都是压力大、安全可靠性能高等，比较典型的是露天及地下矿井开采中采用 的各种采煤机械、井巷掘进机械、支护设备以及运输机械中大量使用液压缸作为执行 元件的液压技术1 2 j 。 综采设备中的重要组成部分之一是液压支架，它与采煤机配套使用，实现了采煤 综合机械化。液压支架的作用是有效地支撑工作面的顶板，从而防止矸石进入回采工 作面，影响采煤工作和效率。由于受各种工作环境的影响，液压支架在使用过程 中会经常出现一些新的安全问题。近年来，国内外相关研究人员都在研究液压支 架中的液压缸( 即立柱和千斤顶) 的工作情况，例如密封件的研制、液压缸强度 不足、部分零部件容易损坏、各类零部件的防腐以及结构改进等方面。 随着在液压传动技术中的广泛应用，液压缸作为液压系统中的执行元件，其作用 也在不断地被开发利用，不仅仅局限于实现直线往复运动或回转运动。相关资料统计 表明，液压缸产值占液压元件总产值的比重比很大，约为2 0 左右，其在工程机械和 矿山机械上的用量最大，在金属切削机床、锻压机床和注塑机等上的用量次之，除此 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 暑| 旨_ _ _ _ | _ 量量曼皇量喜鼍皇| 喜置_ 置_ _ 置i i 。_ _ _ _ _ _ e e j i i 昌。一i li 覃i 一 之外，液压缸在农业机械、船舶、冶金设备、飞机及其它自动化设备中也被大量应用【3 1 。 1 2 2 研究意义 作为将液压能转换成机械能的能量转换装置，液压缸( 如图1 1 所示) 的强度、 刚度以及稳定性对液压支架和单体液压支柱等综采设备的工作性能、使用寿命以及可 靠性等方面起着决定性的作用。在工程应用中，因液压缸结构设计不合理而很容易出 现液压缸扭曲、爆裂、断裂以及其它失效形式等，从而造成严重的经济损失和人员伤 亡；有时还会出现盲目地增大液压缸的壁厚和底厚的情况，这不仅使液压缸的体积增 大，而且同时增加了液压缸的铸造和安装难度，从而增加了液压缸的生产成本。随着 液压缸结构及负载情况变得越来越复杂，加上液压缸的安装固定方式不同，采用人工 对液压缸进行校核不仅费时费力，而且很容易出现错误，所以对液压缸进行计算机有 限元分析，是十分必要的”j 。 ( b ) 图l 一1 各种液压缸 近年来，国内外学者对液压缸进行了各方面的研究，不仅研究了液压缸的局部应 力、稳定性和刚度等问题，还研究了液压缸的运动特性、缓冲理论和工作寿命等方面 的问题。目前，通过对结构和工艺方面进行改进，液压缸的工作性能已经有了很大程 度的提高。现在，超高性能的液压缸在极高的速度下也能稳定地进行工作，液压缸的 高速性能已经超过了1 5 0 0 m m j ，工作温度的范围也得到了很大扩大，已经可以达到 一6 0 + 2 0 0 ，寿命最长的液压缸，要求运行6 0 0 0 k m 以上不发生任何事故或零件损 坏【3 j 。随着计算机技术的应用，用有限元法对液压缸的强度、重量以及成本进行计算， 并对其进行优化设计已经成为液压缸设计的有效方法之一。本文就是在利用p r o e 三维 建模软件建模的基础上对液压缸进行有限元应力和稳定性分析的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 相关技术的发展现状 1 3 1 液压支架的发展现状 我国液压支架在经历了学习起步阶段、发展阶段、完善提高阶段以及高速发展阶 段后，其设计和制造水平正在逐步接近国际先进水平。近年来，我国煤炭机械装备制 造业迅速发展，液压支架也正向着电液控制、大工作阻力、高可靠性以及大的采煤高 度等方向迅速发展。2 0 0 7 年1 1 月6 日至9 日，由中国煤炭工业协会在北京全国农业展 览馆主办的第十二届中国国际煤炭采矿技术交流及设备展览会上，一些生产厂家展出 的液压支架的最大工作阻力达到了1 0 8 x 1 0 4 k n ，其最高高度达到了6 3 m 。接着，在 2 0 0 9 年举办的第十三届展览会上，部分生产厂家展出的液压支架的最大工作阻力已经 为1 7 x 1 0 4 k n ，最高高度为7 5 m 。在此次展览会上，由中国中煤能源集团下属的北京 煤矿机械有限责任公司展出的z y l 7 0 0 0 3 3 7 5 d 型电液控大采高煤矿掩护式液压支架 ( 如图2 1 所示) ，其工作阻力为1 7 0 0 0 k n ，支护强度为1 4 6 m p a ，最高支护高度为 7 5 m ，创造了世界纪录磕1 。 图1 - 2z y l 7 0 0 0 3 3 7 5 d 型电液控液压支架 随着计算机技术的不断发展，计算机辅助设计和优化设计在液压支架的设计中被 工程设计人员普遍采用，运用c a d 软件作为设计的基础平台，在此平台上进行设计和 对软件进行二次开发，以此构建了液压支架设计的专业平台。此平台可以对液压支架 进行快速的设计和计算，实现数据的全相关性以及参数化设计，同时也可以运用相关 软件对液压支架进行运动学和动力学仿真分析，对液压支架在井下的实际工作情况进 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 皇ii 一 - - , - -i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅皇曼曼鼍曼量曼曼皇鼍曼曼皇曼鼍曼曼量量量皇曼置量皇量曼邑曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼量曼量舅曼鼍 行模拟。此外，虚拟样机技术在液压支架的设计中也逐渐得到了应用。当前，虚拟样 机技术在液压支架设计中的主要应用领域为液压支架梁端轨迹曲线研究、液压支架静 力学分析、液压支架进行运动仿真和对其结构进行有限元优化等。 近年来，由于有限元法的迅速发展，有限元法已经成为计算机辅助分析( c a e ) 的主要手段之一。随着计算机硬件和大型有限元通用软件的快速发展，有限元法在液 压支架设计和强度校核方面也开始得到广泛的应用。目前，有限元法在液压支架的设 计和计算中的应用主要体现为哺1 ： ( 1 ) 煤炭科学研究总院的相关研究人员根据欧洲c e n 标准，运用a n s y s 有限元 分析软件，对液压支架的各种千斤顶进行了偏载非线性有限元分析，提高了液压支架 的设计可靠性。 ( 2 ) 郑州煤矿机械厂的有关研究人员运用a d i n a 有限元软件对液压支架底座进 行了强度优化设计，在满足液压支架底座结构强度的前提下使液压支架底座的重量减 少了1 6 6 8 。 ( 3 ) 中国矿业大学( 北京) 的研究人员首先运用s o l i de d g e 建立了液压支架 掩护梁的三维实体模型，接着运用a b a q u s 对掩护梁进行了有限元强度分析，最后提 出了改进意见。 虽然计算机辅助设计和优化设计在液压支架设计中被普遍采用，并且取得了很多 成果，但是还存在以下几方面的问题： ( 1 ) 进行液压支架设计和分析时，各个组件的连接方法有多种，一种是采用接触 来计算销轴的连接，但接触面的选择和处理比较麻烦，使得计算比较耗时，另一种是 用杆单元来模拟销轴的连接，使得接触问题转化为线性问题，从而很大地提高了计算 速度、节约了计算时间、提高了计算效率，这两种方法各有其优缺点。 ( 2 ) 在液压支架的设计中，虽然有限元法被广泛采用，但由于有限元软件在建立 复杂模型方面比较困难，对液压支架整体进行有限元分析还比较少，大部分研究人员 只对液压支架的零部件进行了分析。而对液压支架进行整体强度分析的情况比较少， 液压支架在各个工况下其组成零部件的受力情况也不明确。 1 3 2 有限元法的发展现状 近年来，随着计算机的普及，以a n s y s 为代表的有限元分析软件在工程设计和分 析中受到了很多工程设计人员的青睐。从汽车到航空航天领域，都运用有限元软件进 行分析和计算，有限元软件已成为解决现代工程问题最有效的途径之一。总体来说， 有限元法的研究现状及不足主要体现在以下几个方面【7 】： ( 1 ) 从应用领域来看，有限元方法的使用仅仅在局限在一些领域，目前主要的应 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 皇量曼 m n mn mmm mm i 皇曼皇曼曼曼皇寰曼曼曼曼曼曼量量曼皇曼曼曼曼量曼皇曼皇蔓鼍皇曼量曼曼曼曼曼量曼曼舅量皇量曼曼曼蔓曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼皇 用领域为有限元建模，主要应用方向体现在形状设计中采用参数化技术来自动生成设 计模型，以节省设计时间。 ( 2 ) 从有限元实体模型的建立方法来说，阻碍有限元法从理论走向工程实际的一 个主要问题是不能快速有效地自动生成及更新有限元设计的模型。 ( 3 ) 从几何形状的优化方面来理解，e d w i n 8 j 等提出了一种基于c a d 的参数化 设计方法，该方法的最大特点是e d w i n 将商用c a d ( p r 0 e n g 矾e e r ) 软件、a n s y s 和m s cn a s t r a n 有限元分析软件进行“连接”，直接将它们引入到弹性形体的形状优化 设计中，通过使用这些软件提供的参数化建模、网格自动划分、有限元分析等功能为 优化设计过程提供帮助。 1 4 论文主要内容与研究方法 1 4 1主要内容 本论文以液压缸为研究对象，主要基于p r o e 和a n s y s 两种c a d c a e 软件，对 液压缸进行了应力和稳定性分析，本论文的主要研究内容为： ( 1 ) 对现有的各种传统的、典型的液压缸力学模型和分析方法进行了分析、对比 和综合；运用理论力学原理对液压缸进行了力学计算，计算出了其挠度、转角以及弯 矩，从而进行了强度校核，同时对其极限承载力进行了分析； ( 2 ) 利用p r o e 三维建模软件建立了z y 3 6 0 0 1 2 2 7 5 型液压支架液压缸的三维实 体模型，为后面的有限元分析提供实体模型； ( 3 ) 首先通过i g e s 格式将所建立的实体导入到a n s y s 中；然后根据液压缸的 结构特点，合理划分单元，建立其离散化模型；接着施加接近于缸体实际受载工况的 约束条件和载荷，进行液压缸2 倍中心载荷的有限元分析，得出了z y 3 6 0 0 1 2 2 7 5 型 液压支架立柱最大位移变形部位和最大应力集中部位，进行强度校核，并对立柱和平 衡千斤顶进行了稳定性校核，从而为立柱和平衡千斤顶的结构设计提供一定的指导意 义。 1 4 2 研究方法 一般运用有限元法研究系统受力和稳定性时，采取以下几个步骤：第一，首先根 据以往的经验公式和分析模型，对系统进行抽象化，建立其力学模型，作为理论基础； 第二，在有限元分析软件a n s y s 自带前处理器中直接建立系统的实体模型，或者运用 c a d 三维软件对系统进行三维建模后导入，以便进行后面的分析；第三，运用有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 软件对所建立的模型进行分析。本文将按照以上思路对液压缸进行比较完整和全面的 分析。 p r o e n g i n e e r ( 以下简称p r o e ) 是美国参数技术公司( 简称p t c 公司) 开发的 工程应用软件中的主要产品之一，也是世界上最成功的c a d c a m 软件之一。p r o e 软 件的功能特别强大，被广泛应用于造型设计、机械加工制造、模具设计、机械设计、 机构分析及有限元分析等各个领域。主要包括通用模块和专用模块，通用模块有三维 实体造型、装配、加工仿真等模块，专用模块有模具设计、钣金件设计、电路布线等 模块。p r o e 系统的主要特点有【9 】： ( 1 ) 具有全数据相关性。任何零件的修改都会自动反映到整个装配系统的所有位 置，从而改变了三维建模时的数据不相关性，减少了修改某个零件时需要修改所有数 据的麻烦，为零件设计节省了时间。 ( 2 ) 可以管理多个并发进程，从而成为并行工程。整个p r o e 系统使用统一的数 据库，方便零件数据的管理，同时也使得数据管理更加科学合理。 ( 3 ) 强大的装配功能。p r o e 不仅具有强大的装配功能，而且还可以实现计算机 的模拟加工，从而提高了设计效率。 ( 4 ) 使用方便。p r o e 使用标准的视窗操作，从而易于用户使用，完成设计任务。 ( 5 ) 用户界面简洁明了，易于操作，符合工程设计人员的设计思想和平常的使用 习惯。整个p r o e 系统建立在统一的数据库管理之上，从而使得其具有完整的模型。 p r o e 建立在工作站上，而其系统却与硬件独立，从而很方便移植。 有限单元法是目前工程领域中最常用的数值模拟方法之一，而a n s y s 是一款可以 运用到各个领域的有限元法分析软件，它是世界上最大的有限元分析软件公司之一的 美国a n s y s 公司开发的，其融结构分析、热分析、电磁分析、流体分析和耦合场分析 于一体，除自身具有较为强大的三维建模能力之外，a n s y s 还提供较为灵活的图形接 口及数据接口，可以和u g 、p r o e 、a d a m s 、f e m a p 、p a t r a n 、i d e a s 、c o s m o s 、 a l g o r 等软件进行模型相互转换【l0 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章液压支架用液压缸静力学分析 液压支架的种类非常多，它的基本功能却大致都是一样的，依据其各个组成部分 的功能，将液压支架( 如图2 1 所示) 可分为以下几个主要组成部分。 ( 1 ) 承载结构件，主要有顶梁、掩护梁、尾梁、底座、前连杆、后连杆等，它们 的主要作用是承受以及传递顶板和落下煤矿或岩石的载荷。 ( 2 ) 液压缸，主要包括立柱和各类的千斤项，其主要作用是产生液压力，以使液 压支架实现各种所需的动作。 ( 3 ) 控制元部件，主要有各种阀类( 例如操纵阀、安全阀、单向阀等) 、管路及 电控元件等，它们的作用是准确控制液压支架各种液压缸的各类动作，从而完成其特 定的工作。 ( 4 ) 辅助装置，包括推移装置、护帮装置、伸缩梁装置、放倒防滑装置、活动侧 护板装置及各类连接件等，辅助装置是实现液压支架特定的动作必不可少的一部分。 l 一底座；2 一摊移千斤顶；3 一前连杆；4 一后连杆：5 侧护板：6 掩护梁； 7 平衡千斤顶：8 一顶梁；户前护帮；1 0 一前护帮千斤顶；1 1 一立柱 图2 1 掩护式液压支架结构图 立柱是液压支架的重要承压部件，由于当液压支架正常工作时，立柱一直承受很 大的压力，故立柱的工作性能将直接影响到液压支架的工作效率。所以在对立柱进行 设计时，不仅要使其具有合理的工作阻力和可靠的工作性能，而且必须保证其具有足 够的抗压强度和抗弯强度以满足液压支架的工作要求。 随着矿用立柱和千斤顶国家标准的颁布和实施，对立柱和千斤顶的安全可靠性方 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 暑皇曼量皇鼍皇皇, 。m , 。 。 n n n ln n l ! l ni m m n l , r i mn n , , , 量曼曼喜量鲁鼍舅喜寡皇曼量皇皇 面提出了比m t 3 1 3 9 2 液压支架立柱技术条件和m t 9 7 9 2 液压支架千斤顶技 术条件更加严格的要求。本论文进行有限元分析计算时采用新国家标准提出的两项 检验内容之，即立柱全部伸出时，采用内加载的方法对其施加两倍的中心载荷进行 检验吲。 2 1 液压缸简介 液压缸是整个液压系统中最重要的执行元件之一，它将液压能转变为机械能，使 机械设备实现直线往复运动( 或摆动运动) 。液压缸的结构简单，工作可靠性高，配置 比较灵活，设计和制造都比较方便，使用和维修也比较容易，用液压缸来实现往复运 动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动比较平稳，所以液压缸比液压马达 和摆动液压马达等执行元件在各种机械液压系统中的应用更为广泛。 2 1 1 液压缸分类 液压缸可根据支承形式、构造形式和制造标准等形式进行分类，下面进行详细叙 述【3 】： 1 按支承形式分类，可分为： ( 1 ) 底脚型：是运用底脚支承液压缸缸体并承受外力的一种液压缸安装方式； ( 2 ) 法兰型：是一种采用法兰来支承并承受外力的液压缸； ( 3 ) 拉杆外伸型：是将紧固液压缸体用的拉杆向外延伸进行安装的形式； ( 4 ) 耳环型：是采用耳环来支承液压缸缸体并承受外力的； ( 5 ) 铰轴型：是一种采用铰轴来支承液压缸缸体并承受外力的液压缸。 2 按构造形式分类，可分为： ( 1 ) 单作用液压缸：此种形式的液压缸，压力油仅向活塞的一侧供给，可分为柱 塞式和活塞式两种。不论是柱塞式还是活塞式，其只能利用液压力来实现缸体的单向 伸缩动作，而其返回动作主要利用活塞杆的自重、负荷和弹簧力等来实现，所以可以 减少动力的使用。作为应用实例，有液压升降机、自卸卡车和叉车等。 ( 2 ) 双作用液压缸：此种形式的液压缸，液压力可实现液压缸的双向往复运动， 所以应用最为广泛。有单活塞杆式和双活塞杆式两种( 如图2 2 和图2 3 所示) ，双活 塞杆式的压力油能交替向活塞的两侧供给。当双作用双活塞杆液压缸两侧的活塞杆直 径相同时，活塞两边的有效面积相等，故常用于需要实现前进和后退速度相同的场合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 图2 2 单活塞杆式双作用液压缸( 立柱) 图2 - 3 双活塞杆式双作用液压缸( 立柱) 3 按制造标准分类，可分为： ( 1 ) 标准液压缸：指预先以数种液压缸内径为基准，使活塞杆系列，安装形式以 及材料、结构和尺寸等参数与j i s 标准相符，然后进行系列设计和成批生产的液压缸。 ( 2 ) 特殊液压缸：此类液压缸应用较少，但它也占有很重要的地位，它们在液压 装置中发挥着独特的作用，有时采用特殊结构液压缸会大大改善液压机械设备的工作 性能，有时甚至只能采用特殊结构的液压缸。 2 1 2 液压缸结构 液压缸一般主要由缸体、活塞杆、导向套活塞、活塞和端盖等部分组成，各部分 的具体作用如下【3 】： 1 缸体 缸体是液压缸的主体，其主要由缸筒、法兰、排气阀座和油口等焊接而成，由于 要承受较大的工作介质压力，缸体必须具备足够的强度和刚度。 2 活塞 活塞是液压缸中将液压能转变为机械能的主要零件，活塞左右两腔有效面积的大 小将确定液压缸推力和拉力值的大小。活塞与活塞杆及缸体之间都由密封圈进行密封， 以确保液压缸内部不产生泄漏。 3 活塞杆 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 量量舅曼量曼曼曼罾皇皇皇曼曼鲁罾鲁曼鼍寰皇皇蔓舅 ： i i 皇曼量曼曼曼曼皇量曼皇量曼曼舅曼舅曼曼曼曼量量鼍鼍曼 活塞杆一端与活塞相连，另一端与负载相接，其主要作用是将活塞产生的机械能 传递给负载。 4 导向套 导向套是为了保证活塞杆往复滑移运动的直线性而设置的。一般由耐磨性较好、 摩擦因数较小的铝锡青铜制成。 5 端盖 端盖将液压缸内部与外界相隔开，其与液压缸缸体的联接方式主要有焊接、螺栓 紧固、螺纹联接等形式。在端盖的内孔表面上设有防止压力油外漏的密封圈和刮去活 塞杆上污物、防止灰尘进入液压缸内的防尘圈。 2 2 传统的液压缸力学模型和分析方法 液压缸的结构型式、结构参数、负载状况以及工作环境常处于变化之中，所以对 液压缸作出合理简化和假设，考虑其主要的结构特点和工作特点，摒弃次要的因素， 归纳总结其典型的负载状况，提出液压缸应力与稳定性分析力学模型，是保证液压缸 有限元应力和稳定性分析正确性和合理性的先决条件。 液压缸是一种典型的受压杆件，欧拉稳定性理论是各种液压缸力学模型和分析方 法的理论基础【1 1 12 1 。 对于两端铰支的均直受压杆件，其力学模型如图2 - 4 所示，其临界载荷只由如下 的欧拉公式计算： 只：挈 像1 ) 式中 e l 抗弯刚度； 三一压杆长度。 根据客观需要，上述力学模型被推广到具有不同端部约束条件、变截面、弹性支 承和阶梯杆等情况。 由于实际上不存在绝对轴心受载的情况，人们又提出了偏心压杆的稳定性问题， 即第二类失稳。对两端铰支同侧偏一d 的均直压杆而言，其力学模型如图2 5 所示。有 的还考虑了剪力的影响【1 3 1 。 从本质上讲，液压缸是一个受压杆件，但由于其结构和受力的特殊性和复杂性， 对液压缸的应力和稳定性分析，人们又提出了各种改进的力学模型和分析方法。分别 如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 om。ii i ii i 。i 。_ i i i 皇曼皇曼鼍曼曼曼量曼 p p 图2 _ 4 两端铰支均宣压杆力学模型图2 - 5 两端铰支同侧偏心均直压杆力学模型 ( 1 ) 在参考文献 1 4 q b ，作者认为液压缸是一个偏心受压、有刚性初折曲并有可 能受横向力作用的阶梯压杆，将刚性初折曲等价为一个横向力作用，由弯曲平衡微分 方程e l y = m ( x ) 并结合边界条件导出挠度y 的解析式，然后进行应力分析和稳定性分 析，同时采用第四强度理论对液压缸进行强度校核，其力学模型如图2 - 6 所示。 由于此力学模型和分析方法比较简明实用，现在工程应用中多采用这种力学模型 和分析方法，但这种方法中的解析公式推导比较复杂，对不同约束条件和负载情况不 能通用。 户 d p yd 1 q 乞 _ - - _ - - _ - 一 入、 胗矿 净 q l 7 7 2 图2 - 6 液压缸力学模型1 ( 2 ) 参考文献 1 5 中，作者使用解析方法推导出多伸缩油缸的挠度y 和转角0 的 矩阵公式，本质上与参考文献 1 4 中的方法相同，但考虑了多级缸油压的不同和其通用 性，其力学模型如图2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 - 7 液压缸力掌模型2 ( 3 ) 在参考文献【1 6 】中，作者认为由于密封件具有初始过盈，液压缸过渡联接处 不是刚性初折曲，当立柱受到偏心载荷时，过渡联接处出现弯矩，从而使密封件产生 弹性变形，那么缸体和活柱之间就会产生相对的转角。因此文献采用弹性比例联接模 型：m = k 。o o 计算出过渡联接出的弯矩，列出基本方程，代入边界条件，然后运用 矩阵方式采用迭代算法计算出最大应力和最大挠度，其力学模型如图2 8 所示。 图2 - 8 液压缸力学模型3 这种分析方法对不同负载和约束情况不能通用，采用迭代算法求解也比较繁琐， 同时求解极限力无效。 ( 4 ) 在参考文献 1 7 】中，作者认为液压缸( 立柱) 中缸体所受轴向压强与轴向压 力平衡，故不是受压杆件，其只是产生弯曲变形，但缸体通过弯曲变形会影响整个液 压缸( 立柱) 的稳定性，活柱( 活塞杆) 产生的才是压屈变形。作者在假设缸体为刚 性的条件下运用三种计算公式讨论了临界压力的计算，并对这三种计算结果进行分析 比较，从而得出文献中提出的力学模型的正确性，其力学模型如图2 - 9 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 - 9 液压缸力学模型4 ( 5 ) 参考文献【1 8 】的作者认同参考文献 1 7 】中提出的观点和假设，即液压缸中只 有活柱( 活塞杆) 受压力作用，缸体本身不承受压力作用，所以不存在液压缸的变截 面稳定性问题。但同时作者认为当活柱( 活塞杆) 的危险截面上的最大应力达到或超 过材料的屈服极限时，活柱( 活塞杆) 就已经发生了失效，此时施加在活柱( 活塞杆) 上的载荷称为屈服载荷，而理论分析及算例表明屈服载荷的值恒小于临界载荷的值， 因此建议在对活柱( 活塞杆) 进行承载能力的校核时只需计算其屈服载荷只即可，文 献中同时讨论了中间约束的影响，其力学模型如图2 1 0 所示。 图2 1 0 液压缸力学模型5 ( 6 ) 参考文献 1 9 】的作者以压溃理论为基础，综合考虑了液压缸的初折曲、偏心 受载、铰支端的摩擦力矩、活柱( 活塞杆) 和缸体的非刚性连接以及白重等因素的影 响，采用分段平衡挠度曲线迭代算法对液压缸进行了稳定性分析，并运用试验对提出 的液压缸理论分析的正确性进行了验证，其力学模型如图2 1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 1 1 液压缸力学模型6 前面介绍的各种典型的液压缸力学模型和分析方法，都是在偏心压杆模型及理论 的基础上考虑了一些因素的影响而提出的。由于考虑问题的出发点和侧重点不同，它 们之间互有差别，又各有优缺点，其主要区别为以下几个方面： ( 1 ) 液压缸级间过渡联接是否为刚性，同时有无初折曲存在； ( 2 ) 此模型和方法适应外部载荷的情况； ( 3 ) 此模型和方法对约束条件的适应情况； ( 4 ) 液压缸的缸体是弯曲问题还是压屈问题； ( 5 ) 计算分析方法的不同。 通过对前面各种力学模型与分析方法的分析比较，可以看出它们共同的不足点主 要体现在以下几个方面： ( 1 ) 各种力学模型和分析方法之间互不兼容，不方便工程人员使用。 ( 2 ) 对一般的外部载荷情况( 例如分布载荷) 无法适应。 ( 3 ) 各种力学模型均把液压缸视为两端铰支约束，而没有考虑液压缸其它的约束 方式。 ( 4 ) 从本质上来说，其分析方法均属于解析算法，推导比较复杂，迭代求解更加 费时。 ( 5 ) 所有分析方法对极限力的观点不一致，故求解屈服极限只和临界载荷只比较 困难。 ( 6 ) 液压缸各种结构参数、模型参数、工作状况对液压缸应力和稳定性的的影响 无法讨论。 ( 7 ) 必须假定液压缸缸体是刚性的，才能将液压缸缸体视为弯曲变形。 ( 8 ) 大多数模型和分析方法忽略了多级液压缸中每级缸的液体压力不相同的情 况。 因此，有必要采用三维有限元分析技术，从高一级的更精确的水平上对液压缸进 行应力与稳定性分析，进而判断上述各种液压缸力学模型的适应性，不仅可为使用上 述各种力学模型提供指导，而且可提供一种更加全面、精确可靠的计算方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 3 液压支架用液压缸强度计算 液压支架的负载情况是跟着采煤地质环境的变化而经常处于变化之中的，立柱作 为液压支架的主要承载元部件，故其负载情况也是随着液压支架负载情况的变化而发 生变化的。所以，依据液压支架用立柱的实际负载情况对其进行分析是行不通的，为 此，国家相关研究人员综合考虑了液压支架工作的实际环境、立柱的实际使用条件以 及支撑掩护系统的特征等诸多因素的影响而提出了立柱的室内试验规范，工程设计人 员在对立柱进行设计时一般根据立柱室内试验规范所规定的加载方式进行分析计算。 国家规定的立柱试验加载方式为当立柱全部伸出时必须满足【2 0 j ： ( 1 ) 能够承受2 倍额定中心载荷的作用： ( 2 ) 立柱上下两端同侧偏心3 0 r a m 时，能够承受1 1 倍额定偏心载荷的作用。 2 3 1 液压缸受力分析 根据液压缸( 立柱) 的实际负载情况，将双伸缩立柱简化为如图2 1 2 所示的力学 模型，该力学模型将液压缸( 立柱) 简化为受纵向经过端面形心或者偏离形心的载荷 作用，并且具有变形和初挠度的纵向弯曲梁。在图2 1 2 的力学模型中，液压缸( 立柱) 受到的轴向载荷为p ，其作用于液压缸( 立柱) 的上下端面，偏离端面中心线的距离 为e l 、岛，相邻两段液压缸的折线之间的夹角为q 、，液压缸互相不重合部分的长 度分别为厶、厶、厶，相邻两段液压缸的相重合部分的长度分别为厶、厶，各段液压 缸的挠度记为璐，其中f = l ，2 ，5 ，相应各段的惯性矩记为以，江1 ，2 ，5 ， 其中以= + 以，山= 1 3 + j ，。对于单伸缩立柱和各类千斤顶可参考双伸缩立柱的力学 图2 1 2 双伸缩液压缸( 立柱) 力学计算模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 模型来进行计算f 7 1 。 从液压缸( 立柱) 的力学模型可知，其受力情况如下： ( 1 ) 轴向压力，当轴向压力不通过液压缸( 立柱) 的中心线时，应该考虑偏心力 的作用。 ( 2 ) 液压缸内压力油的压力，对于单伸缩液压缸( 立柱) 来说，只有一个缸内壁 受到油压的作用，而双伸缩液压缸( 立柱) 的一级缸和二级缸内壁均受到油压的作用。 ( 3 ) 当液压缸( 立柱) 的细长比不相同时，临界载荷也不相同，当其细长比较大 时，液压缸( 立柱) 将会产生失稳。 ( 4 ) 在轴向压力作用下，由于双伸缩立柱的一级缸体和二级缸体可以上下自由伸 缩，所以，双伸缩立柱将会横向挠曲从而产生附加弯矩，此附加弯矩的大小与横向载 荷、横向挠曲量相关。 弹性力学基本方程描述了弹性体内任一点的位移、应力、应变和所受外力之间的 关系，其基本方程有几何方程、平衡方程及物理方程三种，根据弹性力学原