礦用液壓支架吊臂設計及截面優化

閆愛枝，李夢

礦用液壓支架吊臂設計及截面優化

閆愛枝1，李夢2

（1.陽泉市永昱機電有限責任公司，山西 陽泉 045000；2.天津工業大學 機械工程學院，天津 300387）

針對礦用液壓支架再制造過程中存在安全穩定性差、效率低等問題，以大型礦用綜采液壓支架為研究對象，在剖析當前中國液壓支架再制造領域發展狀況基礎上，針對面臨的主要問題，結合陽泉永昱機電有限責任公司的生產實況，對綜采液壓支架拆裝設備進行優化設計，從而實現提高生產安全性、改善設備的整機性能、降低經濟成本的目的。

煤礦；液壓支架；拆裝；優化設計

1 引言

液壓支架是為煤炭綜采工作提供支撐防護和安全保障的關鍵設備。伸縮立柱是液壓支架的主要承載部件，承受并傳遞來自綜采頂板的主要載荷。在工作條件惡劣、設備損耗快等因素的影響下，保證設備的正常運轉，對立柱乃至液壓支護設備的再制造修復，是煤礦安全生產的重要任務[1-2]。其中，液壓支架的拆裝，尤其是立柱與支架的分離組裝，是整個再制造過程最先開始且極為重要的環節。當前中國成熟的液壓支架再制造技術發展有限，存在許多問題。中國煤炭科工集團太原研究院有限公司張學瑞研究的一種夾持式立柱拆裝機，由于立柱屬于重型圓柱體結構，采用夾持方式拆裝的工作難度大、穩定性差，且結構復雜、成本高[3]。除此之外，中國很多煤礦企業采用行車、叉車等非專業的拆裝設備進行立柱與支架的分離組裝，存在工作效率低、安全性差等問題[4]。本文在剖析當前中國液壓支架再制造領域發展狀況基礎上，結合陽泉永昱機電有限責任公司的生產實際，針對其中穩定性差、安全性低等問題，對綜采液壓支架拆裝設備進行優化設計。

2 液壓支架拆裝設備概況

液壓支架拆裝設備主要由以下三部分組成：①框架式拆裝機構。由頂梁、立柱、底梁、中間橫梁、液壓油缸、滑輪裝置、鋼絲繩組成，起到整體負載支撐、控制作業范圍、保證工作安全等作用。②單鉸雙鉤吊裝機構。由上三角梁、下三角梁、吊鉤裝置、滑輪裝置組成，起到液壓支架吊裝、X方向微小精確移動的作用。③吊裝機械臂。由吊臂、吊鉤裝置、回轉平臺、液壓油缸組成，用于液壓支架伸縮立柱的分離及組裝作業。

3 吊臂截面形式選擇

隨著技術的發展，起重吊臂朝著曲線形狀發展，綜合考慮制造工藝和工作性能，當前U形截面是最為理想的起重吊臂截面形式。U形臂在有效減小吊臂質量的同時，最大程度地提高了材料使用的機械性能，解決了局部易失穩的問題，大大提高了工作的可靠性和穩定性。較橢圓形截面，其制造工藝相對簡單，成本也低很多。

4 U形截面的優化設計

本次優化設計是對吊臂的U形截面尺寸進行優化，以實現吊臂輕量化設計的目的。即保持U形截面形狀不變，在結構的許用應力及剛度范圍之內，調整截面尺寸，從而使吊臂質量最小。

4.1 U形截面幾何參數分析

U形截面參數如圖1所示。截面可以分為上矩形蓋板和下半圓蓋板兩部分。尺寸有上矩形蓋板長度s、上矩形蓋板厚度s、下半圓內直徑n、下半圓外直徑w。

圖1 U形截面參數圖

吊臂質量為：

上式中，為吊臂質量；為密度，根據材料確定；為吊臂體積；為吊臂長度；為截面面積。所以是關于參數s，s，n，w的函數，即=（s，s，n，w）。

4.2 吊臂靜力學分析

根據設計初始值：s=250 mm，s=30 mm，n=340 mm，w=400 mm，=5 000 mm，額定起質量為5 t。運用ANSYS Workbench建立吊臂模型，對其強度、剛度進行分析。可以得到在額定載荷下，吊臂的最大應力為58.733 MPa，最大靜位移為10.002 mm，質量是1 673.5 kg。吊臂材料選用Q345，根據《起重機設計規范》（GB/T 3811—2008），求得許用應力為233 MPa，許用剛度為25 mm。對比數據可知吊臂強度和剛度都遠小于許用值，滿足安全要求，但用料多，質量大，所以需要通過優化設計改善。

4.3 優化設計過程

4.3.1 設計變量

截面尺寸決定了吊臂質量，本文將吊臂U形截面尺寸，即上矩形蓋板長度s、上矩形蓋板厚度s、下半圓內直徑n、下半圓外直徑w作為本次優化的設計變量。

4.3.2 約束條件

吊臂在上述工況下達到安全狀態時強度、剛度都有很大盈余，所以將強度和剛度設為約束條件。吊臂變幅平面的最大許用靜位移為25 mm，最大許用應力為233 MPa。綜合考慮吊臂的起吊性能及安全，取以下約束條件：①強度約束條件，0≤許用應力≤200 MPa；②剛度約束條件，0≤許用靜位移≤20 mm。

4.3.3 目標函數

本文設計的目的是使吊臂在安全范圍內最大程度地減小質量，即將min作為優化的目標函數，其表達式為：

（）=min=（s，s，n，w）min

4.4 優化過程及結果分析

在ANSYS Workbench中構建Direction Optimization模塊進行優化計算，得到優化結果，如圖2所示。

通過對比優化前后的數據，可以看出在滿足吊臂的強度約束200 MPa、剛度約束20 mm的安全要求范圍內，優化后的吊臂質量得到了很明顯的改善，較優化前，Point 1變形為19.521 mm，增大了95.17%；應力為124.05 MPa，增大了111.2%；質量為938.03 kg，減小了43.9%。Point 2變形為18.654 mm，增大了86.5%；應力為124.5 MPa，增大了111.98%；質量為980.86 kg，減小了41.29%。Point 3變形為14.868 mm，增大了48.65%；應力為102.9 MPa，增大了75.2%；質量為1 038.7 kg，減小了37.93%。

綜合考慮吊臂的應力和變形情況，選擇Point 3作為最佳優化方案，對應的參數w=398 mm，n=371.15 mm，s=262.9 mm，s=30.438 mm。

圖2 優化結果

5 結論

本文在分析礦用液壓支架再制造技術發展概況的基礎上，針對專門用于礦用液壓支架拆裝設備進行優化設計，其中包括框架式拆裝結構、單鉸雙鉤吊裝機構和吊裝機械臂。

通過ANSYS Workbench對U形截面吊臂進行分析，明確U形截面吊臂的應力、整體變形的變化情況。結合實際生產特點，進行優化計算，在滿足強度約束200 MPa、剛度約束20 mm安全要求的基礎上，得到合理的U形截面尺寸參數，實現吊臂的輕量化設計。其中綜合考慮吊臂的應力和變形情況，選擇Point 3的尺寸參數w=398 mm，n=371.15 mm，s=262.9 mm，s=30.438 mm作為最佳優化方案。此參數下的吊臂質量3=1 038.7 kg，較優化前減小了37.93%，優化效果明顯。

通過以上的優化設計，改善了設備受力特性，實現了增強系統穩定性和工作安全性的目的，對提高起重設備的整機性能和降低經濟成本都有著重大的現實意義。

［1］劉琦.淺析煤礦機械安全技術現狀與對策［J］.科技視界，2016（19）：273.

［2］黎文強，馬宗斌，王騰飛，等.液壓支架立柱再制造技術的發展與應用［J］.煤礦機械，2016，37（1）：198-200.

［3］張學瑞.立柱拆裝機簡介及拆裝工藝探索研究［J］.煤炭技術，2018，37（11）：323-325.

［4］吳子恒.綜采液壓支架組裝架的設計與分析［D］.淮南：安徽理工大學，2015.

TD355.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.036

2095－6835（2019）16－0087－02

〔編輯：嚴麗琴〕