液壓支架強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計方法研究

王金明

摘 要：文章以液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)為研究對象，分別在最大應(yīng)力約束以及疲勞壽命約束條件下，對液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計方法展開分析，根據(jù)有限元分析結(jié)果，提出幾組綜合性能較好的優(yōu)化組合方案，并通過對比分析，得出了最佳的優(yōu)化設(shè)計，可在后續(xù)實踐中進(jìn)一步引起關(guān)注。

關(guān)鍵詞：液壓支架；掩護(hù)梁；可靠性優(yōu)化；設(shè)計

在一般運(yùn)行工況下，在液壓支架主要部件當(dāng)中，以掩護(hù)梁的受力水平最大。同時，在頂梁承受偏載工況的條件下，掩護(hù)梁的受力情況最為惡劣，因此掩護(hù)梁上會出現(xiàn)應(yīng)力極限值的情況。在對液壓支架強(qiáng)度可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程中，其可靠性需要通過引入疲勞壽命指標(biāo)的方式進(jìn)行測定。基于以上分析，在對有關(guān)掩護(hù)梁強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計時，需要以最大應(yīng)力約束以及疲勞壽命為假設(shè)條件，展開有限元分析，根據(jù)分析，設(shè)定出合理的可靠性優(yōu)化設(shè)計方案，達(dá)到優(yōu)化液壓支架運(yùn)行能效的目的。

1 基于最大應(yīng)力約束的強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計

在對液壓支架掩護(hù)梁強(qiáng)度可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程中，可以將“掩護(hù)梁最大受力不超過屈服極限水平”作為優(yōu)化的約束條件。為了方便分析，在掩護(hù)梁上應(yīng)力最大區(qū)域取兩個采樣點，將其作為分析對比的依據(jù)。在分析過程當(dāng)中，對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1.1 優(yōu)化變量設(shè)定

在對液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的階段中，液壓支架中的主要參數(shù)以及空間尺寸已經(jīng)基本完成設(shè)計，為恒定狀態(tài)。因此，設(shè)計變量可以選取支架主要部件所對應(yīng)的鋼板厚度，同時可在有限元優(yōu)化中對其初始值進(jìn)行定義。

假定對于液壓支架掩護(hù)梁而言，3個板厚分別定義為T1，T2，T3，均為設(shè)計變量，T1取值為25.0mm，為掩護(hù)梁豎筋板板厚，T2取值為25.0mm，為掩護(hù)梁上頂板板厚，T3取值為25.0mm，為掩護(hù)梁下腹板板厚。該狀態(tài)下掩護(hù)梁整體質(zhì)量為3345.0g。

1.2 有限元優(yōu)化分析

在有限元分析過程當(dāng)中，選擇掩護(hù)梁受力條件最為惡劣的偏載工況作為加載方式。在此工況下，整個液壓支架的實驗高度取值為2400.0mm。應(yīng)力極限值在460.0MPa范圍內(nèi)，因此可設(shè)定掩護(hù)梁重量最小作為強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計的基本目標(biāo)。同時，遵循現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計變量的增長步長設(shè)置為5.0mm。同時，對于液壓支架而言，厚度在15.0mm以下的板材較為單薄，與液壓支架其他組件結(jié)構(gòu)無法相互配合，因此缺乏實際意義，故而在可靠性優(yōu)化設(shè)計分析中，按照下表（見表1）方式選擇板厚，計算相應(yīng)的組合方案。

表1 優(yōu)化變量板厚組合方案示意表

1.3 有限元優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)在不同組合方案下得到的數(shù)據(jù)分析來看，按照表1所取值IDE各種板厚組合方案均能夠滿足液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計中“掩護(hù)梁最大受力不超過屈服極限水平”的要求。在此狀態(tài)下，在液壓支架重量取最小值時，板材厚度T1，T2，T3均取值為20.0mm，與之相對應(yīng)的探測點1應(yīng)力水平為398.9MPa，探測點2應(yīng)力水平為413.7MPa，可以滿足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求，對應(yīng)的液壓支架掩護(hù)梁質(zhì)量水平為2992.29kg。

2 基于疲勞壽命約束的強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計

由于在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用液壓支架第一部分（通用技術(shù)條件）》中，已經(jīng)針對液壓支架疲勞強(qiáng)度實驗方法與結(jié)果提出了嚴(yán)格要求，因此在液壓支架實驗中僅需要滿足要求即可，無需過分追求較大的疲勞壽命水平。從這一角度上來說，在對液壓支架強(qiáng)度可靠性進(jìn)行優(yōu)化分析的過程中，不需要單獨將液壓支架疲勞壽命作為優(yōu)化目標(biāo)，將其滿足循環(huán)壽命作為可靠性優(yōu)化中的約束條件之一。從這一角度上來說，對于液壓支架掩護(hù)梁而言，基于疲勞壽命約束的強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計可以從如下角度進(jìn)行分析：

2.1 設(shè)定負(fù)載水平

在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用液壓支架第一部分（通用技術(shù)條件）》中，耐久性試驗規(guī)范中要求采取內(nèi)加載方式進(jìn)行循環(huán)加載，加載壓力交替設(shè)置為1.05*額定工作壓力以及0.25*額定工作壓力。加載周期按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定為20000次。

2.2 有限元優(yōu)化分析

有限元分析過程當(dāng)中，結(jié)構(gòu)材料為Q460，彈性模量取值為210000.0MPa，密度標(biāo)準(zhǔn)值為7.85kg/m3，泊松比取值為0.3，結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度取值為460.0MPa。根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析數(shù)據(jù)表，可在滿足所設(shè)定疲勞壽命（即加載周期20000次）的條件下，最優(yōu)方案為板材厚度T1，T2，T3分別取值為20.0mm，20.0mm，以及25.0mm，與之相對應(yīng)的探測點1壽命水平為3.2*104，探測點2壽命水平為2.6*104。

3 可靠性優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)，在最終確定可靠性優(yōu)化設(shè)計方案的過程中，可以首先考慮適當(dāng)減小T1板材厚度，然后可對T2板材厚度進(jìn)行調(diào)整，最后是對T3板材厚度的控制。根據(jù)有限元分析結(jié)果，在滿足液壓支架掩護(hù)梁疲勞壽命以及應(yīng)力水平基本要求的前提下，可先選幾組性能較好的數(shù)據(jù)作為優(yōu)選方案，展開進(jìn)一步分析。備選數(shù)據(jù)方案如下表所示（見表2）。

表2 備選數(shù)據(jù)方案示意表

4 結(jié)束語

對以上各個方案的可靠性優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比分析：其中，對于A方案而言，在該組合下，液壓支架掩護(hù)梁質(zhì)量減小比例最大，雖然疲勞壽命有一定程度上的下降，但仍然能夠滿足所設(shè)定疲勞壽命（即加載周期20000次）的基本要求，同時應(yīng)力變化較小。對于B方案以及C方案而言，雖然疲勞壽命取值有一定程度上的提高趨勢，但同時應(yīng)力值也對應(yīng)下降，液壓支架掩護(hù)梁質(zhì)量減小狀態(tài)不理想。對比A方案，D方案雖然能夠使液壓支架掩護(hù)梁的整體重量得到控制，但液壓支架掩護(hù)梁的應(yīng)力水平以及疲勞壽命改善效果均不理想。E方案雖然能夠增大疲勞壽命，但也同時降低了最大應(yīng)力水平，導(dǎo)致液壓支架掩護(hù)梁質(zhì)量與優(yōu)化前差異不明顯。故而，最終選擇A方案作為可靠性優(yōu)化方案。

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