礦用液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

遼寧工程職業(yè)學(xué)院 陶麗花

液壓支架是煤炭綜采機(jī)械化設(shè)備中最關(guān)鍵的一種，它的設(shè)計(jì)與加工技術(shù)的研究進(jìn)展直接關(guān)系到煤礦開采進(jìn)展、開采效率，其價(jià)值占到綜采工作面設(shè)備總價(jià)值的多半以上，為此需要對液壓支架整體基于有限元理論建立液壓支架-土壤系統(tǒng)的承載變形模型和基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法建立液壓支架-土壤系統(tǒng)的動力學(xué)模型對其進(jìn)行綜合評價(jià)。

1.引言

國外學(xué)者對此開展了相應(yīng)的研究, Gao B Z等采用 Monte Carlo法確定不可測機(jī)械零件載荷譜。Kato Y等采用理論編譜的方法，綜合考慮液壓支架在工作過程中的真實(shí)歷程及極限狀況，建立了滿足井下作業(yè)的液壓支架疲勞載荷譜。

國內(nèi)武紅霞等采用APDL參數(shù)語言創(chuàng)建頂梁的概率分析文件，把載荷、材料性能作為服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，在PDS模塊中進(jìn)行了可靠性分析；陳曉鵬等基于VB和Pro/E對液壓支架進(jìn)行了載荷設(shè)計(jì)與實(shí)體建模；林忠明等從靜力學(xué)角度對大傾角條件下綜放開采液壓支架抗傾覆、滑移、扭斜穩(wěn)定進(jìn)行了分析；但是還沒有用基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法建立液壓支架-土壤系統(tǒng)的動力學(xué)模型的相關(guān)研究。

在實(shí)際工況中，土壤受液壓支架整機(jī)及上部載荷作用，其剛度直接影響著液壓支架的承載能力，忽略土壤影響的整機(jī)模型偏不安全，國內(nèi)、外的研究都存在此不安全因素。因此本論文將基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法建立了液壓支架-土壤系統(tǒng)力學(xué)模型，并開展不同液壓介質(zhì)體積彈性模量、不同活塞有效面積對活柱最大退縮量的影響研究。同時(shí)考慮土壤環(huán)境而建立的液壓支架的承載變形模型和動力學(xué)模型，通過改進(jìn)粒子群算法完成液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)。這將對提高液壓支架工作性能、降低生產(chǎn)成本從而建立一種更具可靠性的液壓支架優(yōu)化模型以此提高液壓支架動靜特性的分析精度將具有相對重要意義。

2.技術(shù)路線

第一，針對液壓支架的動態(tài)性能嚴(yán)重影響采掘安全的情況，考慮土壤屬性對液壓支架系統(tǒng)的影響，將液壓缸等效為彈簧、阻尼，將采用多體傳遞矩陣法建立液壓支架系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過與有限元仿真值對比，驗(yàn)證理論模型的正確性，基于此模型會開展不同液壓介質(zhì)體積彈性模量、不同活塞有效面積對活柱最大退縮量的影響研究，會為提高采掘安全與指導(dǎo)液壓支架的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

第二，由于液壓支架質(zhì)量過大，不僅造成成本浪費(fèi)而且不易于井下運(yùn)輸、安裝，為此本論文會首先通過建立應(yīng)變能方程推導(dǎo)了梁單元的內(nèi)應(yīng)力表達(dá)式，根據(jù)剛度定義，推導(dǎo)材料剛度和幾何剛度矩陣，從而獲得非線性梁單元的切線剛度矩陣，然后考慮土壤對液壓支架系統(tǒng)的影響建立液壓支架-土壤系統(tǒng)非線性有限元模型。

第三，最后將會以頂梁與掩護(hù)梁質(zhì)量及承載變形最小為優(yōu)化目標(biāo)，基于改進(jìn)的粒子群算法，在ISIGHT優(yōu)化軟件中連接MATLAB設(shè)定優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)及優(yōu)化算法，從而完成液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

課題研究的技術(shù)路線：

首先，基于非線性有限元理論，建立液壓支架-土壤系統(tǒng)的承載變形模型。

然后，基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法,建立液壓支架-土壤系統(tǒng)的動力學(xué)模型。

最后，應(yīng)用上述模型，采用改進(jìn)粒子群算法完成液壓支架優(yōu)化分析。

技術(shù)路線如圖1所示：

圖1

3.結(jié)論

本文考慮土壤對液壓支架的特性影響，建立了液壓支架-土壤系統(tǒng)非線性有限元力學(xué)模型，基于此模型采用粒子群法優(yōu)化了頂梁和掩護(hù)梁從而達(dá)到液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)。