QY200型液壓支架立柱優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

鄭典亮，孫婉婷，周 莉，宇 迪

(1.吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院,吉林 吉林 132022；2.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100744)

在我國煤炭行業(yè)中，綜合機(jī)械化采煤法已經(jīng)得到廣泛地應(yīng)用，目前采煤行業(yè)的發(fā)展方向是高質(zhì)量、高安全性、高效率.液壓支架是煤礦開采中綜合機(jī)械的重要設(shè)備之一，其作用是為了保持一定的作業(yè)空間，防止頂板冒落，保證工作人員的安全以及各項(xiàng)工作正常進(jìn)行[1-3].作為煤礦開采中非常重要的支護(hù)設(shè)備，液壓支架發(fā)揮了無與倫比的重要性，特別體現(xiàn)在整個(gè)煤礦開采過程中的安全性.而液壓支架的重要?jiǎng)恿Σ考橇⒅瑥囊酝姆治隹梢缘贸鯷4-6]，液壓支架在承受載荷時(shí)，立柱處是應(yīng)力最大的位置，這都表明立柱的的受力特點(diǎn)直接影響著支架的力學(xué)性能，從而導(dǎo)致煤礦開采中綜采工作面的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全受到影響.另外立柱通常起著杠桿作用，在水平和垂直方向均有力的作用，由于桿的穩(wěn)定性和其結(jié)構(gòu)及約束方式有關(guān)，因此在不改變立柱受約束的同時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就能提高支架的穩(wěn)定性，提高支架的強(qiáng)度.

因此，從立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，在立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的同時(shí)，對(duì)其主要尺寸進(jìn)行優(yōu)化，分析其對(duì)支架整體應(yīng)力分布的影響，以確保并提升液壓支架的安全可靠性.

1 液壓支架三維立體建模與有限元模型

利用SOLIDWORKS軟件平臺(tái)，創(chuàng)建QY200型液壓支架模型，主要包括各部件建模以及模型的裝配.其中部件包括：底座、掩護(hù)梁、立柱、頂梁和前后連桿，進(jìn)而達(dá)到液壓支架的可視化.為了便于后面的靜力學(xué)仿真和有限元分析，在建模的過程中，對(duì)部件內(nèi)小尺寸次要配件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其保存格式為IGES.圖1(a)是建立的液壓支架的三維模型，液壓支架的高度最小值達(dá)到1 400 mm，最大值達(dá)到3 100 mm.

(a) 三維模型

(b) 有限元模型圖1 QY200/14/31型液壓支架模型

參考前期仿真結(jié)果[7]，從靜力學(xué)分析數(shù)據(jù)中可以得出，在額定載荷作用下，隨著支架高度變化，液壓支架柱窩處的作用力也是在逐漸變化，根據(jù)柱窩在支架最大高度(3 100 mm)處有最大受力值的特點(diǎn)，選取這個(gè)極限位置分析，在ANSYS軟件平臺(tái)下進(jìn)行有限元建模，有限元模型如圖1(b)所示.建模主要過程包含：邊界條件確定、網(wǎng)格劃分和材料屬性選擇[8].

在邊界條件確定時(shí)，考慮液壓支架中各部件全部是焊接結(jié)構(gòu)，部件相互之間接觸類型為完全粘接和不分離粘結(jié)兩種，因此將立柱之間的接觸類型定義為完全粘接，而將含轉(zhuǎn)動(dòng)副處的接觸定義為不分離接觸[9].大部分支架使用高強(qiáng)度鋼板Q680[10]，其特性可見表1.網(wǎng)格劃分運(yùn)用了自適應(yīng)劃分，網(wǎng)格類型選擇SOLID187.在底座上添加固定約束，在頂梁表面施加大小為200 kN的壓力，其方向?yàn)檠刎Q直方向.

表1 液壓支架的材料屬性

2 液壓支架優(yōu)化方法的選擇

由于立柱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，首先對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，那些對(duì)整體影響較小的局部結(jié)構(gòu)采用刪除和表面平順的處理方式，提高分析和設(shè)計(jì)效率.對(duì)于裝配件中包含數(shù)目較多的零部件，考慮它們尺寸都是連續(xù)量，對(duì)這些關(guān)鍵尺寸進(jìn)行單因素逐步優(yōu)化，通常是多維非線性問題，計(jì)算量比較大.為了克服這些不足，采用比較常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法來對(duì)結(jié)構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)整體目標(biāo)找出各個(gè)尺寸對(duì)其影響趨勢(shì)，最后給出優(yōu)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化試驗(yàn)方法使用正交試驗(yàn)法[11].

2.1 優(yōu)化因素

對(duì)于優(yōu)化因素，通常優(yōu)化模型是首要解決的問題，它是對(duì)整個(gè)優(yōu)化問題較為抽象認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ).本文參考其他文獻(xiàn)，經(jīng)過綜合分析，得出結(jié)論，立柱結(jié)構(gòu)尺寸是解決問題的關(guān)鍵，確定優(yōu)化因素為立柱各部分的結(jié)構(gòu)尺寸，立柱通常包括活柱、中缸和大缸，因此優(yōu)化要素為：活柱的長度和外徑、中缸的長度和外徑以及大缸的長度和外徑，建模如圖2所示.

(a) 活柱的長度和外徑

(b) 中缸的長度和外徑

(c) 大缸的長度和外徑圖2 立柱各部件的特征尺寸說明簡(jiǎn)圖

2.2 優(yōu)化約束條件

隨著約束條件的改變，在整體目標(biāo)不變的情況下，優(yōu)化結(jié)果也會(huì)隨之不同，導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果依賴于具體工況的現(xiàn)象，因此選取合理的工況條件也是進(jìn)行優(yōu)化分析的關(guān)鍵.本文從提高液壓支架穩(wěn)定性目標(biāo)出發(fā)，主要分析載荷對(duì)液壓支架性能的影響，選取整架強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù).針對(duì)前期有限元分析的結(jié)果[7，12-13]，在最低位置處、額定載荷下，結(jié)構(gòu)件應(yīng)力值最大，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)件被破壞的危險(xiǎn)位置.然而考慮液壓支架的實(shí)際應(yīng)用情況，即最低高度處所受載荷很難達(dá)到額定載荷，因此最低高度處不適合作為優(yōu)化問題的約束條件.而中間位置處液壓支架應(yīng)力最小，從而選取液壓支架處于最大高度處作為分析的具體位置.另外，考慮在立柱結(jié)構(gòu)件尺寸變化的過程中，立柱的質(zhì)量都會(huì)有所變化，而這種質(zhì)量的變化相對(duì)于頂梁等大部件受力而言都是微小量，可暫時(shí)忽略不計(jì).將最大高度位置作為優(yōu)化問題的一個(gè)約束條件，問題即轉(zhuǎn)化為在該高度位置下，把應(yīng)力值最小作為液壓支架整體優(yōu)化目標(biāo).對(duì)于液壓支架所受載荷，根據(jù)前面分析的結(jié)果，垂直壓力和彎曲力矩對(duì)液壓支架應(yīng)力影響較大，扭矩影響較小，可以分兩種情況分析，即：?jiǎn)为?dú)受垂直壓力的作用和垂直壓力與彎曲力矩組合載荷的作用.

2.3 優(yōu)化模型的建立

首先提取優(yōu)化要素，主要針對(duì)立柱的外徑和長度進(jìn)行分析.提取因素6個(gè)：大缸外徑Rd、大缸長度Ld、中缸外徑Rz、中缸長度Lz、活柱外徑r和活柱長度l，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)水平：水平1、水平2和水平3，依次如下：

大缸外徑Rd：115、117.5、120 mm；大缸長度Ld：1 100、1 075、1 050 mm；中缸外徑Rz：100、97.5、95 mm；中缸長度Lz：900、925、950 mm；活柱外徑r：80、82.5、85 mm；活柱長度l：1 050、1 025、1 000 mm.

選取正交表為L18(36)，如表2所示，各水平和尺寸分別對(duì)應(yīng)，共18次試驗(yàn).

表2 正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)中，液壓支架各零部件和整體受應(yīng)力云圖可以在圖3中看出，該應(yīng)力云圖和前面垂直壓力和彎曲力矩組合載荷下液壓支架整體或零部件的應(yīng)力云圖一致，說明立柱尺寸的變化沒有改變液壓支架整體的應(yīng)力分布特點(diǎn)，只是改變了應(yīng)力值的大小.

(a) 支架整體受應(yīng)力云圖

(b) 支架頂梁受應(yīng)力云圖

(c) 支架底座受應(yīng)力云圖

(d) 支架立柱受應(yīng)力云圖圖3 液壓支架整體和零部件受應(yīng)力分布云圖

3 液壓支架優(yōu)化結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，概括起來分為兩個(gè)步驟，第1步對(duì)于單因素各水平的結(jié)果求均值；第2步在最大和最小值之差之間對(duì)各因素中的3個(gè)水平測(cè)量數(shù)值求極差值，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表3所示.

表3 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理

從表3中可以看出，在垂直壓力下，液壓支架受各因素影響的順序依次為活柱長度l、大缸外徑Rd、大缸長度Ld、活柱外徑r、中缸長度Lz、中缸外徑Rz；在垂直壓力的同時(shí)施加彎曲力矩后，液壓支架受各因素影響的順序依次為活柱長度l、大缸外徑Rd、大缸長度Ld、活柱外徑r、中缸長度Lz、中缸外徑Rz.比較前后可以看出液壓支架整架應(yīng)力分布受各因素影響大小順序是一致的，和載荷的類型無關(guān).同時(shí)參照關(guān)于前3個(gè)因素的分析直觀圖，如圖4所示.

因素水平(a) 活柱長度l

因素水平(b) 大缸外徑Rd

因素水平(c)大缸長度Ld圖4 支架最大等效應(yīng)力隨各因素水平變化曲線

從圖4中可以看出，液壓支架最大等效應(yīng)力隨活柱長度l的增加成增長趨勢(shì)，因此要使液壓支架能夠更加穩(wěn)定地工作，活柱長度l應(yīng)該是越小越好，而大缸外徑Rd是越大越好，大缸長度Ld越大越好.

4 結(jié) 論

根據(jù)液壓支架受力的特點(diǎn)以及應(yīng)力分布特性，提出對(duì)立柱進(jìn)行設(shè)計(jì)能夠減小液壓支架整體應(yīng)力的論斷.同時(shí)考慮立柱結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)目較多，對(duì)各尺寸分別設(shè)計(jì)問題十分復(fù)雜，計(jì)算周期較長，因此提出采用正交試驗(yàn)分析方法對(duì)液壓支架的立柱進(jìn)行分析，并提取大缸外徑、大缸長度、中缸外徑、中缸長度、活柱外徑和活柱長度6個(gè)因素作為變量，對(duì)各個(gè)因素分別選取3個(gè)水平，然后對(duì)各模型添加垂直壓力和垂直壓力與彎曲力矩組合載荷作用.經(jīng)過對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到液壓支架整體應(yīng)力受活柱長度影響最大，大缸外徑和大缸長度兩因素次之，其他3個(gè)因素影響較小，這都為液壓支架的設(shè)計(jì)提供了參考，也適用于液壓支架其他零部件的設(shè)計(jì)和分析.