论文部分内容阅读
[摘 要]液压支架是煤炭采集工业的重点设备，在控制工作面作业区顶板岩层、提供安全作业环境中发挥着重要作用。加强液压支架的结构强度与疲劳寿命研究是提升液压支架工作性能的重要方式，要通过详细分析结构强度增加液压支架工作性能，提高企业效益。
[关键词]煤炭企业 液压支架 煤炭设备
中图分类号：TM511 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0394-01
随着我国经济社会不断发展，社会对煤炭的需求不断增加，增加了液压支架的工作强度，对液压支架研究设计、维护管理工作提出了严峻的挑战。加强液压支架结构强度与疲劳寿命研究更具有现实意义。
一、液压支架结构强度研究
图1是液压系统工作原理图，在液压支架工作中，必须具备推、移、升、降四个基本动作。本文以此为基础、以ZF5000/16/28型液压支架为案例，展开液压支架整体强度有限元分析。
1、材料属性
ZF5000/16/28型液压支架的主要组成材料是16Mn和Q460.上述两种材料基本力学性能相同，由于Q460占据比例较大，因此本文以Q460为材料属性展开进一步分析。Q460的密度为7850Kg/m？，弹性模量E=202000MPa，泊松比μ=0.28，
2、外载荷、接触方式及约束的设置
在《液压支架通用技术标准》中，液压支架需要在内加载实验平台上进行强度试验，本次分析中液压支架的统一高度为2400mm。
（1）外载荷设置
根据ZF5000/16/28的主要参考数据可知，在P=39.8MPa时液压支架的工作阻力F=5000KN，工作载荷力是32MPa（额定载荷力的0.8倍），整个支架共四个支柱，每个支柱的支撑力为：
（2）接触方式设置
将支撑力导入到Ansys Workbench中，根据各个零部件的实际接触情况和实际运算结果对主要接触数据进行修改。为了使实验更接近于实际生产情况，垫块与主体结构之间采用绑定接触、摩擦接触和不分离接触三种方式进行计算。
（3）约束设置
通过垫块不同摩擦接触情况模拟井下作业时液压支架工作情况，如果垫块对支架起到外力作用时，那么整个支架的整体系统就是镇定的，力的平衡方程式会产生无解现象，在本次分析中将垫块当作边界条件处理。
3、应力计算及其结果
液压支架共有14中工况，其中6对是左右对称的工况（case2与3，、case4与5 、case6与7、case9与10、case11与12、case13与14），case1与case 8在顶梁与底座两端进行加载。
针对14种工况计算进而提取顶梁与底座上22点的计算值，22点数值受支架顶梁与底座的受力情况影响，因此要根据各种工况的不同应力情况展开计算。
4、总结
通过限元分析而得出的数据可以得到以下几点结论：
（1）在液压支架结构强度计算过程中，为提高计算效率，应该从顶梁和底座分析开始，综合扭转工况的实际情况，进行判断：如果支架满足应力要求并通过液压支架的压架实验，就可以判断支架满足强度要求。
（2）如果底座最大等效应力值超过材料屈服硬度，但不高于硬度极限，可以认为底座是在满足强度要求的情况下发生了塑性变形。
二、液压支架疲劳寿命研究
现阶段对液压支架疲劳寿命的研究主要有三种方法：局部应力-应变法、名义应力法和应力场强法。受上文中垫块塑性状态影响，本文采用局部应力-应变法对液压支架疲劳寿命进行分析。
在局部应力-應变法中，要详细分析液压支架的塑性问题，考虑疲劳寿命的微小变化对数据的影响，因此要重点分析局部危险部位进行疲劳裂纹形成寿命的低周疲劳分析。
1、耐久性实验载荷
在MT312-2000规定中，耐久性实验是分析液压支架强度分析和疲劳寿命的第一步骤。耐久性实验荷载主要采用内加载的方式。在整个支架的主体结构中，耐久性实验高度与强度实验相同。耐久性实验的目的是证明试验压力是额定压力的1.05倍。
2、疲劳寿命分析
在弹塑性有限元静力的基础上，设液压支架的设计寿命为106，。通常情况下，液压支架最小寿命处发生在顶梁内主筋与主筋板处，根据Morrow修正公式，可以计算出其最小寿命值是1.71×105，满足支架耐久性实验要求，也符合国家标准，因此可以认为此液压支架可以通过耐久性实验。对试验中耐久性最小的部位，可以采用性能更好的原材料来提高液压支架的使用寿命。
3、随机变幅应力下的疲劳寿命分析
随机变幅应力下的疲劳寿命分析是验证应力应变法正确性、并为液压支架实际工程中疲劳寿命分析提供可参考的依据。在随机变幅应力下应用疲劳计数方法，要将随机载荷系数与时间历程处理成全循环的过程。
循环计数法包括双参数计数法与单参数计数法。由于单参数计数法只能记录一个参数（或范围）不能完全展示循环信息，因此要采用双参数计数法来记录循环过程的全部信息。双参数计数法的关键就是建立坐标，选取向下坐标表示时间，横坐标表示载荷，以各个波动峰点显示数值变化情况，根据数值变化确定数值走向，最终确定载荷循环。
结束语：
对液压支架结构强度与疲劳寿命的研究涉及到诸多力学问题和数学知识结构。研究人员要结合煤炭地质结构，认真研究围岩机理，利用动力学和力学分析液压支架工作结构，寻求最优化解决方式。线弹性有限元等技术可以应用在结构强度和疲劳寿命研究工作中，研究人员要注意技术与方法的创新，不断提高研究能力，提升煤炭企业生产能力。
参考文献
[1] 郑晓雯，刘金龙，安许良等.基于有限元法液压支架的疲劳寿命分析[J].矿山机械，2010（17）：8-10.
[2] 王国法.液压支架技术专题报道——高端液压支架关键技术研究与产业化进展[J].煤炭科学技术，2011（4）：78-80.
[3] 袁桂峰，王孝华等.30MN液压支架实验台静力结构强度及疲劳寿命分析[J].煤炭机电2009（5）：50-54.
[4] 杨师斌，祁利巧.液压支架架型优化设计与模拟[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2010（6）：646-647.
[5] 孟海岗，张少秋，徐延君.ZY6800/23/47液压支架的力学和疲劳寿命分析[J].应用技术（技术传播），2011（7）：100-101.
[关键词]煤炭企业 液压支架 煤炭设备
中图分类号：TM511 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0394-01
随着我国经济社会不断发展，社会对煤炭的需求不断增加，增加了液压支架的工作强度，对液压支架研究设计、维护管理工作提出了严峻的挑战。加强液压支架结构强度与疲劳寿命研究更具有现实意义。
一、液压支架结构强度研究
图1是液压系统工作原理图，在液压支架工作中，必须具备推、移、升、降四个基本动作。本文以此为基础、以ZF5000/16/28型液压支架为案例，展开液压支架整体强度有限元分析。
1、材料属性
ZF5000/16/28型液压支架的主要组成材料是16Mn和Q460.上述两种材料基本力学性能相同，由于Q460占据比例较大，因此本文以Q460为材料属性展开进一步分析。Q460的密度为7850Kg/m？，弹性模量E=202000MPa，泊松比μ=0.28，
2、外载荷、接触方式及约束的设置
在《液压支架通用技术标准》中，液压支架需要在内加载实验平台上进行强度试验，本次分析中液压支架的统一高度为2400mm。
（1）外载荷设置
根据ZF5000/16/28的主要参考数据可知，在P=39.8MPa时液压支架的工作阻力F=5000KN，工作载荷力是32MPa（额定载荷力的0.8倍），整个支架共四个支柱，每个支柱的支撑力为：
（2）接触方式设置
将支撑力导入到Ansys Workbench中，根据各个零部件的实际接触情况和实际运算结果对主要接触数据进行修改。为了使实验更接近于实际生产情况，垫块与主体结构之间采用绑定接触、摩擦接触和不分离接触三种方式进行计算。
（3）约束设置
通过垫块不同摩擦接触情况模拟井下作业时液压支架工作情况，如果垫块对支架起到外力作用时，那么整个支架的整体系统就是镇定的，力的平衡方程式会产生无解现象，在本次分析中将垫块当作边界条件处理。
3、应力计算及其结果
液压支架共有14中工况，其中6对是左右对称的工况（case2与3，、case4与5 、case6与7、case9与10、case11与12、case13与14），case1与case 8在顶梁与底座两端进行加载。
针对14种工况计算进而提取顶梁与底座上22点的计算值，22点数值受支架顶梁与底座的受力情况影响，因此要根据各种工况的不同应力情况展开计算。
4、总结
通过限元分析而得出的数据可以得到以下几点结论：
（1）在液压支架结构强度计算过程中，为提高计算效率，应该从顶梁和底座分析开始，综合扭转工况的实际情况，进行判断：如果支架满足应力要求并通过液压支架的压架实验，就可以判断支架满足强度要求。
（2）如果底座最大等效应力值超过材料屈服硬度，但不高于硬度极限，可以认为底座是在满足强度要求的情况下发生了塑性变形。
二、液压支架疲劳寿命研究
现阶段对液压支架疲劳寿命的研究主要有三种方法：局部应力-应变法、名义应力法和应力场强法。受上文中垫块塑性状态影响，本文采用局部应力-应变法对液压支架疲劳寿命进行分析。
在局部应力-應变法中，要详细分析液压支架的塑性问题，考虑疲劳寿命的微小变化对数据的影响，因此要重点分析局部危险部位进行疲劳裂纹形成寿命的低周疲劳分析。
1、耐久性实验载荷
在MT312-2000规定中，耐久性实验是分析液压支架强度分析和疲劳寿命的第一步骤。耐久性实验荷载主要采用内加载的方式。在整个支架的主体结构中，耐久性实验高度与强度实验相同。耐久性实验的目的是证明试验压力是额定压力的1.05倍。
2、疲劳寿命分析
在弹塑性有限元静力的基础上，设液压支架的设计寿命为106，。通常情况下，液压支架最小寿命处发生在顶梁内主筋与主筋板处，根据Morrow修正公式，可以计算出其最小寿命值是1.71×105，满足支架耐久性实验要求，也符合国家标准，因此可以认为此液压支架可以通过耐久性实验。对试验中耐久性最小的部位，可以采用性能更好的原材料来提高液压支架的使用寿命。
3、随机变幅应力下的疲劳寿命分析
随机变幅应力下的疲劳寿命分析是验证应力应变法正确性、并为液压支架实际工程中疲劳寿命分析提供可参考的依据。在随机变幅应力下应用疲劳计数方法，要将随机载荷系数与时间历程处理成全循环的过程。
循环计数法包括双参数计数法与单参数计数法。由于单参数计数法只能记录一个参数（或范围）不能完全展示循环信息，因此要采用双参数计数法来记录循环过程的全部信息。双参数计数法的关键就是建立坐标，选取向下坐标表示时间，横坐标表示载荷，以各个波动峰点显示数值变化情况，根据数值变化确定数值走向，最终确定载荷循环。
结束语：
对液压支架结构强度与疲劳寿命的研究涉及到诸多力学问题和数学知识结构。研究人员要结合煤炭地质结构，认真研究围岩机理，利用动力学和力学分析液压支架工作结构，寻求最优化解决方式。线弹性有限元等技术可以应用在结构强度和疲劳寿命研究工作中，研究人员要注意技术与方法的创新，不断提高研究能力，提升煤炭企业生产能力。
参考文献
[1] 郑晓雯，刘金龙，安许良等.基于有限元法液压支架的疲劳寿命分析[J].矿山机械，2010（17）：8-10.
[2] 王国法.液压支架技术专题报道——高端液压支架关键技术研究与产业化进展[J].煤炭科学技术，2011（4）：78-80.
[3] 袁桂峰，王孝华等.30MN液压支架实验台静力结构强度及疲劳寿命分析[J].煤炭机电2009（5）：50-54.
[4] 杨师斌，祁利巧.液压支架架型优化设计与模拟[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2010（6）：646-647.
[5] 孟海岗，张少秋，徐延君.ZY6800/23/47液压支架的力学和疲劳寿命分析[J].应用技术（技术传播），2011（7）：100-101.