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在我国，液压支架已有50余年的发展历程，然而在设计及使用过程中，发现仍然存在一些不足。迄今为止，大多数的优化研究工作只围绕四连杆长度、梁端距和一些结构的运动学参数进行，缺少对占支架重量85以上的主要结构件在满足外载工况的条件下，结构参数优化以及结构材料的最优利用，结构材料优化与经济效益之间的必然联系的研究等。

而这些问题，也正是广大设计人员和生产企业最为关心、亟需解决的重大课题。

1.1结构缺陷目前液压支架的主流架型是支撑掩护式，其结构的关键部分是四连杆机构。四连杆机构的设计是一个很复杂的过程，需要工程人员进行大量的编程计算，稍有不慎就会给支架带来内力，影响支架强度；且无论如何优化设计支架前端的运动轨迹都只能是双扭线，而不可能实现一条直线，这显然会影响及时支护效果，带来安全隐患。另外，支架的局部结构没有统一的规范，都是凭使用经验安排的，不可避免地会造成结构的臃肿和材料的浪费。

1.2受力分析和强度校核过程中的缺陷为安全起见，传统的液压支架进行结构受力分析和强度校核时要做如下假设：将支架空间结构简化为平面杆系，并将箱形结构看作梁的结构件；将顶梁、掩护梁及底座的载荷看做某种线性分布的载荷，这种载荷是将计算出的集中载荷经换算而得到的；支架结构构件的受力情况是以支架处于最大高度、最为恶劣的载荷作为计算基础，同时取各部件的各自最大载荷来进行强度计算。

这些假设显然和实际工况有较大差距，不可避免地造成结构的笨重，材料的浪费。

1.3材料使用上的缺陷液压支架的4大承力部件都是由钢板组成的焊接结构件，这些结构在工作过程中随时受到弯矩、扭矩、剪力和轴向压力作用。其断面上的应力分布状态所示，并且有以下特点：①以承受弯矩为主的断面，离截面形心最远处应力最大；②以承受剪力为主的断面，在形心处剪应力达到最大；③以承受轴向力为主的断面，在全断面内拉应力相等；④弯矩、扭矩和剪力等联合作用的断面，其应力分布与断面的形状有关。

除纯轴向应力外，无论是以哪一种应力为主作用于结构的截面上，其应力在全断面上的分布是不均等的。在同一断面上有的元件受力大，有的受力小。

对于通常只采用一种材料的支架结构，全断面的材料强度是相同的。而在结构的强度设计时，只以最大应力值作为强度设计值，这就造成了断面内大部分材料的强度没有得到充分利用，造成了材料强度潜能的浪费。

2.1.1整体结构改进超静定液压支架是中国矿业大学李炳文教授根据材料力学上超静定结构的原理，并融入桥梁桁架技术而创造出来的一种新架型。如图2所示，它由底座、顶梁、尾梁、前梁，设在顶梁与底座之间的液压立柱，及相关千斤顶等组成。该架型去掉了传统的四连杆机构，通过合理设计液压控制系统，实现8根立柱支撑的顶梁直上直下运动，克服了四连杆型液压支架梁端运动轨迹不能成一条直线的缺陷，实现了真正的及时支护。8根立柱对顶梁形成密集支护，使顶梁受力近似呈对称均匀分布，改善了顶梁的受力状况，同时双v形布置还能抵消一部分水平力，有助于防止支架侧向倾倒。超静定液压支架结构简单，容易实现系列化、集成化和模块化设计，为液压支架的规模化生产奠定了基础。

2.1.2局部结构优化采用薄主肋板封闭式箱形结构作为梁体，以提高强度，降低质量。从支架的受力状况、抗弯和抗扭的观点看，薄主肋板是合理可行的。同时薄板小挠度理论（若薄板的最大挠度w与板厚h之比在1/10～l/5时，薄板弯曲问题可视为小挠度弯曲问题）也能说明这一点。

梁体截面的优化设计。由于梁体一般均采用塑性材料制造，即：σ压＝σ拉，其最大应力在梁的上、下表面上，故梁体应尽量设计成对称于中心轴的截面，以达到充分利用材料的目的。

梁体横隔板厚度的选择和布置的优化设计。

梁体中横向隔板的主要作用是保持梁体结构的稳定性，隔板本身对梁体的抗弯、抗扭作用不太显著。因此在保持梁体结构稳定的基础上，横隔板可以适当选薄一些，这样可以节约钢材，减少焊接量、焊接变形及焊接应力。可将部分横隔板采用斜置的方式而不是正交布置，这样有利于提高梁体的刚性和稳定性。

2.2受力分析和强度校核的优化

在液压支架的设计过程中，要在凭经验设计的基础上，大量采用计算机辅助设计，多种计算机软件联合使用，数据共享，实现液压支架的参数化设计。如利用pro/engineer和ansys软件，实现液压支架受力分析和强度校核的优化。

pro/engineer是美国ptc公司开发的三维造型软件，其最大的优点是参数化建模和模块化功能，且其能与ansys软件无缝结合；其最大的弱点是分析能力差。参数化建模可以方便支架模型的建立和修改，而模块化功能则可以为同类型支架的设计提供极大的方便。

ansys软件是美国ansys公司开发的大型通用有限元软件，是集结构、热、流体、电磁、声学、耦合分析为一体的软件。其最大的优点是分析能力强且与多数cad软件接口，实现数据的共享和交换，如pro/engineer、autocad等；其最大的弱点是建模过程繁琐。

所以在支架设计过程中，可将二者联合使用。

在pro/engineer软件下完成支架的三维建模，导入到ansys软件进行受力分析和强度校核，找到最大受力点和最危险截面，然后进行优化设计。如在zfs6200/18/35型支架顶梁的设计过程中，利用pro/engineer和ansys软件进行优化设计，优化方案较原设计方案最大等效应力降低6.5％，重量减少11％，效果十分显著。目前，郑州煤机厂在支架的设计过程中，已经大量使用pro/engineer和ansys软件。

根据以往的设计和使用经验可知，支架的最高强度分布表现为局部性、区域性存在，呈“应力集中”

现象。因此，对支架设计而言，从节约成本考虑，无需整套支架都采用高强度的钢板，而是在关键受力部位施以强度较高的板材或者加厚处理。

经分析研究，制造液压支架用的低合金钢材的化学成分基本相近。如常用的材料16mn、sm58q、sm53b、sm50b、14mnmo、15mnvn等，含碳量都在0.16左右，含锰量在1.29～1.61之间，含硅量都在0.26～0.60之间。材料的弹性模量基本一致，焊接性能基本一致，均属可焊性良好的材料。

因此，采用多种可焊性良好的低合金钢材制造液压支架的梁体结构在技术上是完全可行的，所以可以在受力大、变形量大的危险部位使用高强度材料，而在受力小、变形小的部位使用强度相对低一些的材料，这样可以降低支架的制造成本。目前已经有很多厂家进行了材料使用上的优化尝试。可靠性高、重量轻、性能优良的zy8800/22/45d型样机已经试制成功，并已通过压架试验。

据统计，原材料成本占支架销售价格的60以上，而仅支架的顶梁、掩护梁、连杆和底座的原材料成本就占销售价格的35～40。由此可见，支架材料的优化设计将带来显著的经济效益。

超静定液压支架不仅克服了传统支架的缺陷，还丰富了我国液压支架的种类，具有广泛的研究前景。

局部优化措施、强度校核理论及材料使用方法都具有很强的使用性和借鉴意义，为今后液压支架的设计和优化提供了参考。