双伸缩立柱强度与稳定性分析专用软件的开发.pdf

设 计 与 研 究 87 双伸缩立柱强度与稳定性分析专用软件的开发 郭丹丹 孙 攀 （郑州煤矿机械集团股份有限公司，郑州 450001） 摘 要双伸缩立柱是液压支架主要的组成部分，而目前用于计算双伸缩立柱强度和稳定性的计算方法和 计算软件较少。通过建立方便、实用的用于计算双伸缩立柱强度和稳定性的软件，可以快捷地完成液压支架双 伸缩立柱的稳定性和强度的计算和校核，实现双伸缩立柱的准确设计。 关键词双伸缩立柱；强度；稳定性；专用软件 Professional Software Development for Strength and Stability Analysis of Double Telescopic Legs of Hydraulic Roof Support GUO Dandan, SUN Pan Zhengzhou Coal Mine Machinery Co., Ltd, Zhengzhou 450001 Abstract Legs are the main component of Hydraulic Roof Support. With introduction of the goal for high-yielding and efficient mine construction, most large working resistance of Hydraulic Roof Supports are adopted double telescopic legs. However, professional software for strength and stability analysis of double telescopic legs is relatively less at present. This thesis mainly introduces this kind of professional software which is convenient and practical to calculate and check the strength and stability of double telescopic legs of hydraulic roof support fast and to achieve accurate designation of double telescopic legs. Key words double telescopic; legs strength; stability analysis; professional software 1 背景 立柱是液压支架最重要的部件之一，主要作用是承载 顶板压力和调节支架高度。目前使用的立柱分为单伸缩立 柱、双伸缩立柱和加长杆立柱。随着高产高效工作面越来 越多， 液压支架高度越来越高， 要求立柱的伸缩比越来越大。 单伸缩立柱很难满足高度要求，而加长杆立柱由于不易拆 装等缺点逐渐被淘汰。 因此， 双伸缩立柱的应用越来越广泛。 随着液压支架高度和工作阻力的不断加大，立柱的强 度和稳定性等参数的确定尤为重要。目前，立柱的强度和 稳定性等参数的确定多凭借经验和利用公式计算，而简便 快捷的计算软件欠缺，导致费时费力，且计算结果因为人 力因素可能会存在一定的偏差，造成立柱在使用过程中出 现问题。因此，研发出双伸缩立柱强度和稳定性的计算软 件是当务之急。 2 双伸缩立柱力受力分析 根据双伸缩立柱受力状态，可将立柱简化为一个弯曲 梁。 它的力学模型如图 1 所示。 轴向载荷 p作用于立柱的上、 下端面，偏离端面中心的距离分别用 e1、e2表示，相邻两 段油缸的中心线夹角分别用 α1、α2表示；记油缸重合部分 长度分别为 L2、L4，不重合部分长度分别为 L1、L3、L5， 相应各段惯性矩分别为 J1、J2、J3、J4、J5，其中 J2J1J3、 J4J3J5，各段立柱挠度记为 ωi（i ＝ 1 ～ 5）。 由以上力学模型可见，立柱受到以下几个力的作用。 （1）轴向压力。当轴向压力偏移立柱中心轴线时，还 要考虑偏心载荷。 （2）油缸内油液压力。双伸缩立柱的外缸和中缸都受 到乳化液压力的作用。 （3）在轴向压力作用下，立柱横向挠曲产生附加弯矩， 而附加弯矩的大小与横向挠曲量和轴向载荷有关。 （4）立柱长度与直径的比值不同时，临界载荷不同。 根据此力学模型可建立立柱平衡微分方程，确定边界 条件、衔接条件以及立柱各段最大弯矩，进而对立柱稳定 性进行求解和立柱各段强度进行校核。 3 双伸缩立柱稳定性和强度计算专用软件开发 3.1 软件概述 软件以双伸缩立柱的稳定性和强度计算的数学模型为 图 1 双伸缩立柱力学模型 现代制造技术与装备 88 2020 第 7 期 总第 284 期 理论基础，采用 visual Basic 语言开发而成。除了可实现双 伸缩立柱稳定性与强度的校核外，还开发了操作简便的输 入、输出界面。应用该软件可以方便、快捷地完成液压支 架双伸缩立柱的稳定性和强度校核。 软件可针对同一个双伸缩立柱分别根据煤标 MT313- 1992 和欧标 EN1804-2 进行载荷偏心和不偏心两种情况的 稳定性和强度分析，并且分别应用第三强度理论和第四强 度理论进行强度校核，求得最大应力和失稳临界载荷，给 出稳定性安全系数和强度安全系数。 开始 输入 求解 求解Ki 求解AyB 由Wi’0 得X0 0X0Ki 求得各段挠度和弯矩最大值 比较两端值挠 度和弯矩大小 求解出活柱、中缸、外缸的弯矩最大值并 按第三和第四强度理论求解最大应力值 输出按 MT313-1992 和 EN1804-2 欧洲标准计 算出的结果（安全系数） α 图 2 双伸缩立柱稳定性与强度计算流程图 软件经过打包，运行 Setup. 即可安装。安装完成后， 通过“开始→所有程序→液压支架立柱分析软件”即可运 行程序。 软件的输出参数如下根据煤标 MT313-1992，计算 得到立柱稳定性安全系数、最大挠度、最大弯矩及发生最 大弯矩的位置；根据煤标 MT313-1992，计算得到活柱、 中缸、外缸的最大应力和安全系数（包含载荷偏心与不偏 心、第三强度理论与第四强度理论等多种结果）；根据欧 标 EN1804-2，计算得到立柱稳定性安全系数、最大挠度、 最大弯矩及发生最大弯矩的位置；根据欧标 EN1804-2，计 算得到活柱、中缸、外缸的最大应力和安全系数（包含载荷 偏心与不偏心、第三强度理论与第四强度理论等多种结果）。 3.2 软件界面设置 为了便于使用、避免软件使用过程中的失误、提高计 算效率，开发了窗口界面。 3.2.1 起始界面 使用时，点击“开始→所有程序→液压支架立柱分析 软件” ， 即出现如图 3 所示的起始界面。 该界面上设计了 “进 入”和“帮助”两个按钮。 图 3 软件起始界面窗口 3.2.2 参数输入窗口界面 在起始界面中点击 “进入” 按钮， 则进入参数输入界面， 如图 4 所示。通过参数输入窗口界面的输入框，可以方便 地输入或修改所有计算所需的输入参数。 在参数输入窗口上部显示双伸缩立柱的结构与受力分 析示意图，示出了双伸缩立柱的主要结构及尺寸。 在参数输入窗口底部设置了5个按钮， 分别是 “运算”“返 回”“运算报告”“清空数据”和“退出”按钮。 在参数输入窗口界面，当完成所有参数的输入后点击 “运算”按钮，则程序根据输入参数开始执行计算，计算 完成后自动弹出结果输出界面；点击“运算报告”，即弹 出详细报告查看窗口；点击“清空数据”，则所有输入框 中的数据全部清零，以便更新输入参数；点击“返回”， 则返回起始界面；点击“退出”，则关闭程序。 3.2.3 结果输出界面 在参数输入窗口界面，当完成所有参数的输入后点击 “运算”按钮，则程序根据输入参数开始执行计算，计算 完成后自动弹出结果输出界面，如图 5 所示。 结果输出界面，以两列并行分别输出依据煤标 MT313- 1992 和欧标 EN1804-2 计算得到的结果，以便对两个标准 计算得到的结果进行对比。该界面显示的结果包括双伸缩 立柱稳定性安全系数以及活柱、中缸和外缸的强度安全系 数，其中各部分的强度安全系数均包括载荷偏心和不偏心 两种情况。因活柱受载属于单向应力状态，它的组合应力 及安全系数的结果按照第一强度理论给出；中缸和外缸因 处于三向应力状态，它的组合应力及安全系数的结果均按 照第三和第四两种强度理论给出。 3.3 软件的主要功能 该软件的主要功能如下具有方便、易用的输入、输 设 计 与 研 究 89 图 4 参数输入界面 图 5 结果输出界面 现代制造技术与装备 90 2020 第 7 期 总第 284 期 出界面，可以方便、快捷地输入设计参数，并清晰显示计 算结果；可以根据需要在参数输入窗口修改设计参数和材 料参数，并快速得到修改参数后的计算结果，以验证修改 设计的合理性；可以同时给出依据煤标 MT313-1992 和欧 标 EN1804-2 计算得到的结果，以便对两个标准计算得到的 结果进行对比；不但可以计算双伸缩立柱各段的最大弯矩、 最大弯矩发生位置、 最大挠度、 最大应力以及强度安全系数， 还可以计算立柱的整体稳定性安全系数；对于处于三向应 力状态的中缸和外缸，可以给出按照第三和第四两个强度 理论得出的组合应力和强度安全系数；可以显示、打印或 保存详细的计算报告。 4 结语 本文通过对双伸缩立柱的受力分析计算，采用 visual Basic 语言开发出双伸缩立柱强度和稳定性分析的专用软 件。该软件除了可实现双伸缩立柱稳定性与强度的校核外， 还开发了操作简便的输入、输出界面，可以方便、快捷地 完成液压支架双伸缩立柱的稳定性和强度校核，从而指导 设计人员合理选取缸径、 壁厚和材料， 实现立柱的准确设计。 参考文献 [1] 王国法 . 液压支架技术 [M]. 北京煤炭工业出版社，1999. 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[3] 国家煤炭工业局 .MT312-2000 液压支架通用技术条件 [EB/OL]. （2000-12-08） [2020-06-01]. html. （上接第 82 页）加剂的样品，S2、S3、S4是含有添加剂的 样品。S2、S3和 S4中，添加剂含量从少到多分别是 a、b、 c。在相同的合成条件下对各类样品开展合成操作，并借助 扫描电子显微镜对合成后样品中的金刚石自发形成情况进 行检查。检查发现，样品 S1中的金刚石成核量较多；在添 加剂不断增加的情况下，金刚石的成核量会减少；特别是 在添加剂达到 c 含量时，样品中不会出现新的金刚石。这 证明了添加剂的存在会在一定程度上抑制金刚石的形成， 且这种抑制程度会随着添加剂的增加不断加深。 4.2 金刚石颜色对金刚石自发成核的影响 在经过彻底的酸处理和提纯处理后，在光学显微镜环 境下对最终获取的金刚石单晶进行观察，可以发现合成的 金刚石是金黄色，总体上是八面体的形状，包裹体较少， 透明度较高，优晶率能够达到 80。 4.3 体系过剩压对合成晶体的影响 实验操作时，为了考察过剩压对合成的影响，在完全 相同实验背景条件下研究不同过剩压力对合成晶体的影响。 整个高压试验的基本条件如下台阶的压力 4.7GPa 左右， 台阶的时间为 3min，合成压力分别为 5.3-5.4-5.5GPa，合 成基本温度在1370℃。 整个实验操作采用直接升温的方式。 在条件相同的情况下，伴随过剩压力的增加，合成金刚石 晶体内部的包裹体也会增加，晶体的类型变得更加多样。 4.4 体系合成温度对合成晶体的影响 在开展体系合成温度对合成晶体影响实验操作时，将 台阶的基本压力设定为 4.7GP，合成压力设定为 5.4GPa。 为了能够提升合成的有效性，还需要严格把控合成温度， 将合成的温度设定在 1300 ～ 1450℃，合成时间控制在 30min 左右。 在具体实施操作的时候， 如果合成的温度较低， 则是会使晶体驱动力增大；反之，亦然。 实验操作的基本条件设定为台阶压力 4.7GPa，合 成压力为 5.4GPa，合成温度 1300 ～ 1450℃，合成时间 30min 左右。在实验操作中可以发现，在同样的过剩压力环 境下，如果合成温度较低，晶体的成长驱动力会增大，晶 体的前期生产速度较快，包裹体较多。但是，伴随合成温 度的提升，晶体的生长驱动力会减少，晶体生产速度变慢。 5 结语 综上所述，添加剂对金刚石的自发成核有着一定的抑 制影响，在这样的影响下金刚石会呈现出金黄色的状态。 在温度和剂量等条件相同的情况下，伴随体系过剩压力的 增加，晶体的生长速度也会增加，晶体内部的包裹体逐渐 增多。借助改进工艺能够提升腔体合成的前期温度，最终 成功合成粒径为 0.6mm 左右的高质量金刚石单晶。 参考文献 [1] 郭新凯，胡强，马红安，等 . 间接加热合成工业金刚石工艺的 研究 [J]. 超硬材料工程，2010，（1）9-12. 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