液压支架强度可靠性优化设计策略研究

液压支架强度可靠性优化设计策略研究

发表时间：2018-08-09T14:23:36.003Z 来源：《科技新时代》2018年6期作者：许栋史朝军

[导读] 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。

郑州煤矿机械集团股份有限公司河南省郑州市 450000

摘要：液压支架在煤矿工程中得到广泛的应用，它能够使顶梁的极限承载力变大，就我国目前煤矿就工程中顶梁受力情况分析来看，没有达到预期的效果。所以应当改变顶梁的极限承载力，使顶梁极限承载力得到增加，应增加液压支架来达到这个目的。本文主要阐述了最大应力约束的强度可靠性优化设计，以及疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计，最后对液压支架疲劳寿命分析，为以后的优化设计提供新的思路。

关键词：液压支架;强度；可靠性；优化设计

引言

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中有着至关重要的作用，主要为顶板支护及安全防护。高端普采工作面支护顶板主要采用液压支柱，由此可见，综采工作面与高端普采工作面的主要不同点就在于液压支架。液压支架能够使煤矿开采过程中劳动强度得到极大的降低，提高工作效率。近年来，煤炭行业的发展十分迅速，随之井下对液压支架可靠性的需求也在逐步提升，对支架的强度及可靠性也提出了越来越高的要求。与其他发达国家相比还有很大的差距，如何提高液压支架的强度和可靠性，达到液压支架的最佳优化成为目前研究的课题。

基于最大应力约束的强度可靠性优化设计

在设计液压支架掩护梁强度时，把掩护梁最大受力在极限水平内作为条件，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，根据其分析结果使方案得到优化设计。

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，液压支架的主要参数与空间尺寸的设计已基本完成，属于恒定状态，不可随意改动。为了使液压支架强度的设计方案得到优化，变量设计要选取主要支架对应的钢板厚度，在有限元优化期间做好初始值定义工作，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。就液压支架掩护梁而言，假定三个板厚均为设计变量，并分别定义为T1、T2、T3，值分别为25.0 mm、25.0 mm、25.0 mm，T1为掩护梁竖筋板板厚、T2为掩护梁上顶板板厚、T3为掩护梁下腹板板厚。

有限元优化分析

在进行有限元优化分析时，通常选取掩护梁上受力条件相对差的部分作为研究对象，受力最差的偏载工况视为加载形式。在这种状态下，液压支架的实验高度是2 400.0 mm，应力极限值不超过 460.0MPa，所以最小掩护梁质量是可靠性设计的基础目标。此外，根据现行国家相关规定与标准指出，让设计变量增加到 5.0 mm。对于液压支架，如果板材厚度低于15.0 mm，显得相对单薄，和液压支架的其他结构相比很难达到配合要求，不具备实际意义。在优化可靠性设计中，可以借鉴表 1 选择板厚，然后再计算组合方案。

有限元优化结果分析

以上通过对有限元的优化方案进行分析，各种板厚的组合都符合掩护梁最大受力小于屈服极限的约束条件，因此，液压支架应当选取最小的质量，板材厚度T1、T2、T3均为20.0 mm，相对的探测点1、探测点2的应力水平分别为398.9 MPa、413.7 MPa，与应力标准要求相符合，能很好地满足应力要求。

基于疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计

现行国家标准《煤矿用液压支架第一部分（通用技术条件）》中，对液压支架疲劳强度实验方法与结果进行了严格规定，所以为了实现基于疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计，在液压支架试验中不仅要符合相关要求，还不能过于追求疲劳寿命周期。从该角度进行液压支架强度可靠性优化设计，需要以满足循环周期为基础，不断优化相关条件。

设定负载水平

现行国家标准《煤矿用液压支架第一部分（通用技术条件）》中，在耐久性试验规范中对内加在方式提出了要求，需要其进行循环加载，加载压力由1.05倍的额定工作压力与0.25倍的额定工作压力进行交替设置。根据规范标准，20 000次为加载周期。

有限元优化分析

在进行有限元分析中，结构材料为Q460，该材料的弹性模量的取值范围大致在 210000MPa 作用，按照结构优化分析数据可知，基于设定疲劳寿命得到满足的前提下，最优方案为板材厚度分别为T1取值20.0 mm、T2取值20.0 mm、T3取值25.0 mm，相对应的探测点1与探测点2的寿命水平分别为32000次、26000次。所以在满足疲劳寿命的环境下，最佳方案是将板材厚度设置成 20.0 mm。

可靠性分析

根据以上数据分析，在最终确立可靠性设计方案与过程期间。应对T1板材厚度的减小予以优先考虑，然后可以选择调整T2板材厚度，最后进行T3板材厚度的控制。结合有限元分析结果与相关数据：在符合液压支架掩护梁应力水平与疲劳寿命等基础上，可以选用机组性能

相对较好的数据为最佳方案，进行接下来的分析工作。

液压支架疲劳寿命分析

目前，研究液压支架疲劳寿命的主要方法：局部应力 - 应变法、名义应力法及应力场强法。根据本文液压支架强度可靠性优化设计研究，选取局部应力 - 应变法分析液压支架疲劳寿命。该方法，需要对液压支架的塑形问题加以充分考虑，并对疲劳寿命的微小变化对数据产生的影响进行分析。因此，局部危险部位是分析重点，具体应从疲劳裂纹形成寿命的低周疲劳分析入手。

耐久性实验载荷

在耐久性实验载荷中，一般规定所用的是内加载的形式。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。而证明压力与额定压力的倍数关系则是耐久性实验的目的。

疲劳寿命分析

基于弹塑性有限元静力，假设1000000次为液压支架的设计寿命。从实际液压支架使用情况来看，一般顶梁内主筋与主筋板是液压支架最小寿命发生的部位，根据Morrow修正公式克制，其171000次为其最小寿命值，该寿命值是符合相关规定的，与支架耐久性实验及国家标准要求相符合。因此，可认为此液压支架能够通过耐久性实验。在实际使用的过程中为了使液压支架的耐久性提高，可在耐久性最小的部位采用质量更好的原材料。

总结

现阶段液压支架的设计和应用已经取得了巨大的突破，但在某些领域还有很多不足，需要不断发展和研究，不断得提出优化设计，使液压支架的性能得到更好的优化，为我国煤炭事业的发展作出更大的贡献。

参考文献

［１］陈静，郝少祥，邵凤翔．机械可靠性优化设计的应用［Ｊ］．中国煤炭，２０1０，３６（１０）：［2］王国法．掩护式液压支架参数优化设计方法的研究［Ｊ］．煤炭学报，１９９５（Ｓ１）：

［3］王金明.液压支架强度可靠性优化设计方法研究[J].科技创新与应用，2015（16）：

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