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單體液壓支柱是一種用于煤礦回采工作面頂板支護(hù)、回采工作面巷道超前支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)的(液壓)機(jī)械裝置。我國(guó)在60年代開(kāi)始了單體液壓支柱的研究，70年代末完成了工業(yè)性試驗(yàn)，80年代投入成批生產(chǎn)。按照供液方式的不同分為內(nèi)注式和外注式兩種。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐驗(yàn)證，外注式被廣泛應(yīng)用。該產(chǎn)品主要是由頂蓋、活柱、缸體、底座等構(gòu)成柱塞式結(jié)構(gòu)，活柱內(nèi)腔的液體壓力大約分擔(dān)支柱載荷的3/4-4/5，活柱的軸向受力僅為支柱載荷其余的1/5-1/4。支柱在工作過(guò)程中可視為承受軸向壓縮的細(xì)長(zhǎng)壓桿，當(dāng)軸向力達(dá)到或超過(guò)一定限度(臨界載荷)時(shí)會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，使產(chǎn)品失效。因此，對(duì)外注式單體液壓支柱的靜強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析具有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)性和工程意義。
外注式單體液壓支柱主要由頂蓋組件、活柱、缸體、導(dǎo)向套、底座、限位圈、底座等零部件組成，其中頂蓋組件中包括頂蓋、鉸蓋、鉸蓋彈簧，結(jié)構(gòu)如圖所示。工作過(guò)程主要分為升柱、初撐、承載、回柱四個(gè)階段：(1)升柱階段，將注液槍插入三用閥中，通過(guò)乳液泵站的工作壓力(15-20 MPa)將工作介質(zhì)(含M10乳化劑1%-2%乳化液)注入支柱內(nèi)腔，待工作介質(zhì)充滿(mǎn)內(nèi)腔后迫使活柱升高。(2)初撐階段，當(dāng)活柱升高H撐緊支護(hù)工作面后，拔出注液槍。此時(shí)，支柱內(nèi)腔的工作壓力等同于泵站工作壓力，支柱給予支護(hù)工作面的支撐力稱(chēng)為初撐力。 (3)承載階段，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，支護(hù)工作面作用在支柱頂蓋上的載荷不斷增加。當(dāng)支柱承受的載荷超過(guò)了額定工作阻力時(shí)，三用閥中的安全閥被打開(kāi)，內(nèi)腔液體外溢，腔內(nèi)壓力隨之降低，活柱下縮；當(dāng)支柱承受的載荷低于工作阻力時(shí)，安全閥關(guān)閉，使支柱重新達(dá)到平衡。 (4)回柱階段，打開(kāi)三用閥中的卸載閥，支柱內(nèi)腔工作液體由卸載閥排至采空區(qū)，不予回收。活柱在自重作用下回縮，完成降柱目的。就這樣，支柱前移，循環(huán)工作。
外注式單體液壓支柱將其簡(jiǎn)化成靜力穩(wěn)定性模型的關(guān)鍵是考慮活柱、缸體和導(dǎo)向套之間、限位圈和缸體內(nèi)壁之間的間隙。由于支柱頂蓋組件中球形鉸蓋同支護(hù)平面金屬鉸接頂梁配合使用，下端底座為圓弧面也可視為鉸鏈結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為圖所示的力學(xué)模型。活柱和缸體之間通過(guò)活柱頭和缸體口兩處的線位移協(xié)調(diào)條件相聯(lián)系的，兩處的最大相對(duì)位移取決于相應(yīng)的密封間隙。
在外注式單體液壓支柱穩(wěn)定性驗(yàn)算中，主要考慮支柱高度位置和承受載荷情況。假設(shè)外注式單體液壓支柱達(dá)到最大高度全部伸出(限位圈抵住導(dǎo)向套下端)，在承受最大同心縱向載荷的情況下進(jìn)行計(jì)算，主要對(duì)缸體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。
外注式單體液壓支柱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，按照實(shí)體模型進(jìn)行三維的有限元分析比較困難。因此，為有限元軟件分析時(shí)提供方便，在建立支柱模型時(shí)簡(jiǎn)略去次要因素，將活柱和缸體分開(kāi)處理。假設(shè)：①活柱所承受軸向集中載荷簡(jiǎn)化為均布載荷，并分布在活柱的頂部；②支柱工作時(shí)不受動(dòng)載荷的影響；③對(duì)缸體內(nèi)部加壓建立模型分析其強(qiáng)度；④考慮復(fù)位彈簧彈力的影響。支柱在承受重力、工作載荷共同作用下可能會(huì)發(fā)生彎曲和扭曲變形。為了使有限元分析更準(zhǔn)確得到靜力學(xué)強(qiáng)度分析的結(jié)果，活柱的單元類(lèi)型選擇實(shí)體單元SOLID186。缸體根據(jù)工作環(huán)境受力情況，主要考慮其承受膨脹的內(nèi)壓力，在計(jì)算過(guò)程中忽略缸體的軸向力，則可將其問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，則選取缸體1/4建立有限元模型，選用實(shí)體單元SOLID82單元。活柱和缸體的材料選用27SiMn，E=2.06xe5 MPa，泊松比取0.3。用ANSYS軟件對(duì)活柱和缸體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖所示。由假設(shè)條件知，活柱單元底端采用ALL DOF約束，在活柱上端面加載均布載荷300 kN。對(duì)缸體而言，由于外注式單體液壓支柱的額定工作壓力為38.2MPa，約束為X軸和Y軸對(duì)稱(chēng)截面上的節(jié)點(diǎn)分別對(duì)Y，X方向進(jìn)行約束。
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