液壓支架強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計方法

常曉芳+原志芳

摘 要：液壓支架在煤礦工程中發(fā)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(yīng)當(dāng)改變頂梁的承載力極限狀態(tài)。為了使頂梁的所受應(yīng)力的極限值得到增加，應(yīng)當(dāng)在頂梁下面加液壓支架來達(dá)到這個目的。本文主要對液壓支架強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行探究，主要從最大應(yīng)力約束及疲勞壽命兩個方面進(jìn)行探析，并得出相對優(yōu)秀的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：液壓支架；強(qiáng)度；可靠性優(yōu)化；設(shè)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(yīng)用，對液壓支架的要求也逐漸增多，其要求主要體現(xiàn)在可靠性、耐久性等方面。為了使液壓支架在建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)揮其重要作用，首先應(yīng)當(dāng)對液壓支架有一個充分了解，再對其進(jìn)行強(qiáng)度可靠性設(shè)計方案進(jìn)行研究。

1 我國液壓支架發(fā)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(shè)備之一，液壓支架與輸送機(jī)及采煤機(jī)一同工作，實(shí)現(xiàn)了煤礦開采的機(jī)械化建設(shè)。液壓支架在煤礦開采的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，其所發(fā)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(jī)械化采煤與高檔普通機(jī)械化采煤之間的最大差異。液壓支架能夠讓高檔普通機(jī)械化采煤中的頂板一直處于良好的狀態(tài)，使煤礦開采過程中的勞動強(qiáng)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(fā)展，人們對能源的需求也越來越多，相應(yīng)的對煤礦的需求量也逐漸增多，這就使得煤礦企業(yè)必須提高開采煤礦的工作效率，而液壓支架的應(yīng)用不僅能使煤礦的開采工作達(dá)到機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化的煤礦企業(yè)只占少數(shù)，這就使得液壓支架在煤礦企業(yè)未來的發(fā)展過程中逐漸得到應(yīng)用。在進(jìn)行煤礦長壁開采工作面中液壓支架是必不可缺的機(jī)械設(shè)備，液壓支架的技術(shù)水平能夠反映出一個國家煤礦企業(yè)的機(jī)械化建設(shè)程度。

2 基于最大應(yīng)力約束的強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計

為了使液壓支架在煤礦開采過程中發(fā)揮最大的作用，應(yīng)當(dāng)對其最大應(yīng)力進(jìn)行約束，其最大應(yīng)力約束的要求是將掩護(hù)梁所承受的最大應(yīng)力不應(yīng)超過梁的屈服極限狀態(tài)。在對最大應(yīng)力約束的強(qiáng)度進(jìn)行可靠性設(shè)計的時候，一般是在掩護(hù)梁的最大承受應(yīng)力部分取兩個點(diǎn)進(jìn)行對比分析，根據(jù)其分析結(jié)果使設(shè)計方案得到優(yōu)化。

2.1 優(yōu)化變量設(shè)定

液壓支架在對掩護(hù)梁的設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化的過程中，液壓支架所需要的參數(shù)及空間尺寸都是已經(jīng)經(jīng)過明確的，并不能對其進(jìn)行隨意改變。為了使液壓支架強(qiáng)度的設(shè)計方案得到優(yōu)化，一般都會將優(yōu)化變量設(shè)定為支架所對用的鋼板厚度，通過對鋼板厚度的優(yōu)化使液壓支架強(qiáng)度方案得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

在對掩護(hù)梁進(jìn)行優(yōu)化的過程中，假定液壓支架主要部件所對應(yīng)的鋼板厚度分別是T1，T2，T3，這三個數(shù)字都是設(shè)計變量，假設(shè)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(hù)梁的豎筋板，T2是用于掩護(hù)梁的上頂板，T3是用于掩護(hù)梁的下腹板。其掩護(hù)梁的整體質(zhì)量為3345.0g。

2.2 有限元優(yōu)化分析

當(dāng)對液壓支架進(jìn)行有限元優(yōu)化分析的時候，一般選取掩護(hù)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(hù)梁中偏載工況最為惡劣的部分，液壓支架在實(shí)驗(yàn)的過程中一般所取的高度都在2400.0mm作用，應(yīng)力極限值不超過460.0MPa，在這樣的情況下可以選擇掩護(hù)梁的質(zhì)量為最小的時候作為液壓支架強(qiáng)度可靠性設(shè)計方案的目標(biāo)來完成。單單有這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定對設(shè)計變量以及參數(shù)進(jìn)行要求。

2.3 有限元優(yōu)化結(jié)果分析

通過以上對有限元的優(yōu)化方案進(jìn)行分析，并對分析結(jié)果來進(jìn)行下一步的分析。在對有限元的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析的過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照相關(guān)要求，確保液壓支架掩護(hù)梁的最大受力不超過屈服極限水平。因此，液壓支架應(yīng)當(dāng)選取最小的質(zhì)量，并將T1，T2，T3的板厚度從25.0mm變?yōu)?0.0mm，從而使其滿足相關(guān)要求。

3 基于疲勞壽命約束的強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計

隨著對煤礦的需求逐漸增多，我國對煤礦企業(yè)的開采技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格要求，特別是液壓支架的強(qiáng)度。在分析液壓支架強(qiáng)度的可靠性的時候，不必只考慮疲勞壽命對液壓支架強(qiáng)度可靠性的影響，應(yīng)當(dāng)將液壓支架滿足循環(huán)壽命的要求，這樣才能從疲勞壽命約束的強(qiáng)度入手，對液壓支架強(qiáng)度進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計。

3.1 設(shè)定負(fù)載水平

在對液壓支架的負(fù)載水平進(jìn)行設(shè)定的過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照國家所要求的液壓支架型式實(shí)驗(yàn)規(guī)范來完成。筆者通過對相關(guān)規(guī)范了解，從而確定其加載周期為20000次。

3.2 有限元優(yōu)化分析

在對有限元進(jìn)行分析時，其結(jié)構(gòu)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(jù)相關(guān)參數(shù)及公式對以上取的兩個探測點(diǎn)的壽命進(jìn)行計算。

4 液壓支架疲勞壽命研究

局部應(yīng)力-應(yīng)變法、名義應(yīng)力法及應(yīng)力場強(qiáng)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(yīng)力-應(yīng)變法進(jìn)行分析。

4.1 耐久性實(shí)驗(yàn)荷載

在對耐久性荷載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，一般所用是內(nèi)加載的方式。對整個液壓支架的主體結(jié)構(gòu)中，耐久性實(shí)驗(yàn)荷載與強(qiáng)度基本是相同的，通過耐久性實(shí)驗(yàn)得出額定壓力的1.05倍才是試驗(yàn)壓力。

4.2 疲勞壽命分析

假定液壓支架的設(shè)計壽命為1×106次，從實(shí)際液壓支架使用情況來看，其頂梁內(nèi)主筋及主筋板是使用壽命最短的部位，而依據(jù)相關(guān)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(guān)規(guī)定的。在這樣的情況下液壓支架在耐久性實(shí)驗(yàn)中也符合相關(guān)要求，在實(shí)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(jié)

本文主要通過最大應(yīng)力約束及疲勞壽命約束兩個方面對液壓支架強(qiáng)度可靠性的優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行分析，并完善液壓支架的各項(xiàng)性能。

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