液压支架强度可靠性优化设计方法

常晓芳+原志芳

摘 要：液压支架在煤矿工程中发挥着重要作用，能够使顶梁的极限承载力变大。然而，就目前煤矿工程中顶梁受力情况分析来看， 其形势不容客观，因此应当改变顶梁的承载力极限状态。为了使顶梁的所受应力的极限值得到增加，应当在顶梁下面加液压支架来达到这个目的。本文主要对液压支架强度可靠性优化设计方案进行探究，主要从最大应力约束及疲劳寿命两个方面进行探析，并得出相对优秀的设计方案。

关键词：液压支架；强度；可靠性优化；设计

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

随着液压支架在煤矿工程中得到广泛的应用，对液压支架的要求也逐渐增多，其要求主要体现在可靠性、耐久性等方面。为了使液压支架在建筑结构中发挥其重要作用，首先应当对液压支架有一个充分了解，再对其进行强度可靠性设计方案进行研究。

1 我国液压支架发展概况

在煤矿开采的过程中，液压支架在综采工作面中是必不可缺的设备之一，液压支架与输送机及采煤机一同工作，实现了煤矿开采的机械化建设。液压支架在煤矿开采的过程中发挥着关键性作用，其所发挥的作用主要是支撑矿井里的顶板，保障煤矿开采过程的安全性。有无液压支架成为普通机械化采煤与高档普通机械化采煤之间的最大差异。液压支架能够让高档普通机械化采煤中的顶板一直处于良好的状态，使煤矿开采过程中的劳动强度得到极大地降低，并使开采的工作效率得到提高。

随着社会的不断发展，人们对能源的需求也越来越多，相应的对煤矿的需求量也逐渐增多，这就使得煤矿企业必须提高开采煤矿的工作效率，而液压支架的应用不仅能使煤矿的开采工作达到机械化，还能让煤矿的开采效率得到提高。除此以外，目前我国实现机械化的煤矿企业只占少数，这就使得液压支架在煤矿企业未来的发展过程中逐渐得到应用。在进行煤矿长壁开采工作面中液压支架是必不可缺的机械设备，液压支架的技术水平能够反映出一个国家煤矿企业的机械化建设程度。

2 基于最大应力约束的强度可靠性优化设计

为了使液压支架在煤矿开采过程中发挥最大的作用，应当对其最大应力进行约束，其最大应力约束的要求是将掩护梁所承受的最大应力不应超过梁的屈服极限状态。在对最大应力约束的强度进行可靠性设计的时候，一般是在掩护梁的最大承受应力部分取两个点进行对比分析，根据其分析结果使设计方案得到优化。

2.1 优化变量设定

液压支架在对掩护梁的设计方案进行优化的过程中，液压支架所需要的参数及空间尺寸都是已经经过明确的，并不能对其进行随意改变。为了使液压支架强度的设计方案得到优化，一般都会将优化变量设定为支架所对用的钢板厚度，通过对钢板厚度的优化使液压支架强度方案得到进一步的优化。

在对掩护梁进行优化的过程中，假定液压支架主要部件所对应的钢板厚度分别是T1，T2，T3，这三个数字都是设计变量，假设T1、T2、T3的厚度均取25.0mm，但其所用的地方是不一样的，T1是用于掩护梁的竖筋板，T2是用于掩护梁的上顶板，T3是用于掩护梁的下腹板。其掩护梁的整体质量为3345.0g。

2.2 有限元优化分析

当对液压支架进行有限元优化分析的时候，一般选取掩护梁上受力条件相对差的部分作为研究对象，其加载方式也是整个掩护梁中偏载工况最为恶劣的部分，液压支架在实验的过程中一般所取的高度都在2400.0mm作用，应力极限值不超过460.0MPa，在这样的情况下可以选择掩护梁的质量为最小的时候作为液压支架强度可靠性设计方案的目标来完成。单单有这些是远远不够的，还应当严格按照相关规定对设计变量以及参数进行要求。

2.3 有限元优化结果分析

通过以上对有限元的优化方案进行分析，并对分析结果来进行下一步的分析。在对有限元的优化结果进行分析的过程中应当严格按照相关要求，确保液压支架掩护梁的最大受力不超过屈服极限水平。因此，液压支架应当选取最小的质量，并将T1，T2，T3的板厚度从25.0mm变为20.0mm，从而使其满足相关要求。

3 基于疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计

随着对煤矿的需求逐渐增多，我国对煤矿企业的开采技术进行严格要求，特别是液压支架的强度。在分析液压支架强度的可靠性的时候，不必只考虑疲劳寿命对液压支架强度可靠性的影响，应当将液压支架满足循环寿命的要求，这样才能从疲劳寿命约束的强度入手，對液压支架强度进行可靠性优化设计。

3.1 设定负载水平

在对液压支架的负载水平进行设定的过程中，应当严格按照国家所要求的液压支架型式实验规范来完成。笔者通过对相关规范了解，从而确定其加载周期为20000次。

3.2 有限元优化分析

在对有限元进行分析时，其结构所用的材料为Q460，该材料的弹性模量的取值范围大致在2.1×106MPa作用。并根据相关参数及公式对以上取的两个探测点的寿命进行计算。

4 液压支架疲劳寿命研究

局部应力-应变法、名义应力法及应力场强法为目前主要研究液压支架疲劳寿命的主要方法。以下主要对局部应力-应变法进行分析。

4.1 耐久性实验荷载

在对耐久性荷载进行实验的过程中，一般所用是内加载的方式。对整个液压支架的主体结构中，耐久性实验荷载与强度基本是相同的，通过耐久性实验得出额定压力的1.05倍才是试验压力。

4.2 疲劳寿命分析

假定液压支架的设计寿命为1×106次，从实际液压支架使用情况来看，其顶梁内主筋及主筋板是使用寿命最短的部位，而依据相关公式得出1×106次为使用的最短寿命值，该寿命值是符合相关规定的。在这样的情况下液压支架在耐久性实验中也符合相关要求，在实际使用的过程中为了使液压支架的耐久性提高，一般可以在液压耐久性相对较小的部位所采用的材料相对较好。

5 总结

本文主要通过最大应力约束及疲劳寿命约束两个方面对液压支架强度可靠性的优化设计方案进行分析，并完善液压支架的各项性能。

参考文献：

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