液壓支架強度可靠性優化設計方法

常曉芳+原志芳

摘 要：液壓支架在煤礦工程中發揮著重要作用，能夠使頂梁的極限承載力變大。然而，就目前煤礦工程中頂梁受力情況分析來看， 其形勢不容客觀，因此應當改變頂梁的承載力極限狀態。為了使頂梁的所受應力的極限值得到增加，應當在頂梁下面加液壓支架來達到這個目的。本文主要對液壓支架強度可靠性優化設計方案進行探究，主要從最大應力約束及疲勞壽命兩個方面進行探析，并得出相對優秀的設計方案。

關鍵詞：液壓支架；強度；可靠性優化；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.013

隨著液壓支架在煤礦工程中得到廣泛的應用，對液壓支架的要求也逐漸增多，其要求主要體現在可靠性、耐久性等方面。為了使液壓支架在建筑結構中發揮其重要作用，首先應當對液壓支架有一個充分了解，再對其進行強度可靠性設計方案進行研究。

1 我國液壓支架發展概況

在煤礦開采的過程中，液壓支架在綜采工作面中是必不可缺的設備之一，液壓支架與輸送機及采煤機一同工作，實現了煤礦開采的機械化建設。液壓支架在煤礦開采的過程中發揮著關鍵性作用，其所發揮的作用主要是支撐礦井里的頂板，保障煤礦開采過程的安全性。有無液壓支架成為普通機械化采煤與高檔普通機械化采煤之間的最大差異。液壓支架能夠讓高檔普通機械化采煤中的頂板一直處于良好的狀態，使煤礦開采過程中的勞動強度得到極大地降低，并使開采的工作效率得到提高。

隨著社會的不斷發展，人們對能源的需求也越來越多，相應的對煤礦的需求量也逐漸增多，這就使得煤礦企業必須提高開采煤礦的工作效率，而液壓支架的應用不僅能使煤礦的開采工作達到機械化，還能讓煤礦的開采效率得到提高。除此以外，目前我國實現機械化的煤礦企業只占少數，這就使得液壓支架在煤礦企業未來的發展過程中逐漸得到應用。在進行煤礦長壁開采工作面中液壓支架是必不可缺的機械設備，液壓支架的技術水平能夠反映出一個國家煤礦企業的機械化建設程度。

2 基于最大應力約束的強度可靠性優化設計

為了使液壓支架在煤礦開采過程中發揮最大的作用，應當對其最大應力進行約束，其最大應力約束的要求是將掩護梁所承受的最大應力不應超過梁的屈服極限狀態。在對最大應力約束的強度進行可靠性設計的時候，一般是在掩護梁的最大承受應力部分取兩個點進行對比分析，根據其分析結果使設計方案得到優化。

2.1 優化變量設定

液壓支架在對掩護梁的設計方案進行優化的過程中，液壓支架所需要的參數及空間尺寸都是已經經過明確的，并不能對其進行隨意改變。為了使液壓支架強度的設計方案得到優化，一般都會將優化變量設定為支架所對用的鋼板厚度，通過對鋼板厚度的優化使液壓支架強度方案得到進一步的優化。

在對掩護梁進行優化的過程中，假定液壓支架主要部件所對應的鋼板厚度分別是T1，T2，T3，這三個數字都是設計變量，假設T1、T2、T3的厚度均取25.0mm，但其所用的地方是不一樣的，T1是用于掩護梁的豎筋板，T2是用于掩護梁的上頂板，T3是用于掩護梁的下腹板。其掩護梁的整體質量為3345.0g。

2.2 有限元優化分析

當對液壓支架進行有限元優化分析的時候，一般選取掩護梁上受力條件相對差的部分作為研究對象，其加載方式也是整個掩護梁中偏載工況最為惡劣的部分，液壓支架在實驗的過程中一般所取的高度都在2400.0mm作用，應力極限值不超過460.0MPa，在這樣的情況下可以選擇掩護梁的質量為最小的時候作為液壓支架強度可靠性設計方案的目標來完成。單單有這些是遠遠不夠的，還應當嚴格按照相關規定對設計變量以及參數進行要求。

2.3 有限元優化結果分析

通過以上對有限元的優化方案進行分析，并對分析結果來進行下一步的分析。在對有限元的優化結果進行分析的過程中應當嚴格按照相關要求，確保液壓支架掩護梁的最大受力不超過屈服極限水平。因此，液壓支架應當選取最小的質量，并將T1，T2，T3的板厚度從25.0mm變為20.0mm，從而使其滿足相關要求。

3 基于疲勞壽命約束的強度可靠性優化設計

隨著對煤礦的需求逐漸增多，我國對煤礦企業的開采技術進行嚴格要求，特別是液壓支架的強度。在分析液壓支架強度的可靠性的時候，不必只考慮疲勞壽命對液壓支架強度可靠性的影響，應當將液壓支架滿足循環壽命的要求，這樣才能從疲勞壽命約束的強度入手，對液壓支架強度進行可靠性優化設計。

3.1 設定負載水平

在對液壓支架的負載水平進行設定的過程中，應當嚴格按照國家所要求的液壓支架型式實驗規范來完成。筆者通過對相關規范了解，從而確定其加載周期為20000次。

3.2 有限元優化分析

在對有限元進行分析時，其結構所用的材料為Q460，該材料的彈性模量的取值范圍大致在2.1×106MPa作用。并根據相關參數及公式對以上取的兩個探測點的壽命進行計算。

4 液壓支架疲勞壽命研究

局部應力-應變法、名義應力法及應力場強法為目前主要研究液壓支架疲勞壽命的主要方法。以下主要對局部應力-應變法進行分析。

4.1 耐久性實驗荷載

在對耐久性荷載進行實驗的過程中，一般所用是內加載的方式。對整個液壓支架的主體結構中，耐久性實驗荷載與強度基本是相同的，通過耐久性實驗得出額定壓力的1.05倍才是試驗壓力。

4.2 疲勞壽命分析

假定液壓支架的設計壽命為1×106次，從實際液壓支架使用情況來看，其頂梁內主筋及主筋板是使用壽命最短的部位，而依據相關公式得出1×106次為使用的最短壽命值，該壽命值是符合相關規定的。在這樣的情況下液壓支架在耐久性實驗中也符合相關要求，在實際使用的過程中為了使液壓支架的耐久性提高，一般可以在液壓耐久性相對較小的部位所采用的材料相對較好。

5 總結

本文主要通過最大應力約束及疲勞壽命約束兩個方面對液壓支架強度可靠性的優化設計方案進行分析，并完善液壓支架的各項性能。

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