液壓支架掩護梁可靠性優(yōu)化設計方法研究

董建榮，張 欣(河北機電職業(yè)技術學院機械工程系，河北 邢臺 054000)

液壓支架掩護梁可靠性優(yōu)化設計方法研究

董建榮，張 欣
(河北機電職業(yè)技術學院機械工程系，河北 邢臺 054000)

針對液壓支架目前的可靠性優(yōu)化研究現狀，分別在最大應力與疲勞壽命約束前提下，結合有限元分析方法對液壓支架掩護梁結構進行了可靠性優(yōu)化設計。分析了每個優(yōu)化目標對參數的敏感程度，最終提出了五個設計方案，并對其進行了數據實驗，通過實驗的對比分析獲得了最佳的可靠性性優(yōu)化設計方案，其結果表明經過優(yōu)化設計后的液壓支架不僅降低了重量及成本，而且其各種性能要求都能滿足國家標準。該設計方法在降低支架成本、滿足支架的可靠性方面提供了設計依據，為之后的優(yōu)化設計提供了新的思路。

液壓支架；掩護梁；可靠性；優(yōu)化設計

0 引 言

液壓支架作為綜采工作面的主要設備，其可靠性及設計合理性將影響綜采設備的正常使用。目前，把可靠性優(yōu)化設計應用于液壓支架的計算方法還沒有確立。近年來，煤炭行業(yè)的發(fā)展十分迅速，隨之井下對液壓支架可靠性的需求也在逐步提升，對支架的強度及可靠性也提出了越來越高的要求。盡管我國液壓支架的制造水平已經有了很大提升，但是在強度與可靠性方面與其他先進國家相比還有很大差距，如何提高液壓支架的強度及可靠性，并在保證可靠性的前提下完成對支架的優(yōu)化，已成為目前液壓支架研究的熱點問題。因此本文對液壓支架掩護梁結構進行了可靠性優(yōu)化設計，提高了液壓支架的強度和可靠性，延長了其使用壽命，并降低了成本。

1 液壓支架有限元應力分析

運用SolidWorks軟件建立液壓支架的三維模型，并運用Simulation進行有限元分析，在有限元分析過程中，選用ZY6400/21/45型液壓支架，其參數及結構屬性見表1和表2。

對其進行有限元應力分析，見圖1和圖2。

表1 ZY6400/21/45型液壓支架參數

在偏心載荷工作狀況下，液壓支架掩護梁上千斤頂耳板連接位置應力最大，是451 MPa，非?？拷牧系那O限(圖3)。在扭轉載荷工作狀況下，頂梁上柱窩周圍呈現出很大的應力集中跡象，最大值是436 MPa(圖4)。

表2 液壓支架結構屬性

圖1 液壓支架承載扭轉載荷時的應力分布

圖2 液壓支架承載偏心載荷時的應力分布

圖3 偏心載荷時掩護梁應力分布

圖4 扭轉載荷時頂梁應力分布

運用有限元方法分析并掌握液壓支架應力分布情況及強度薄弱位置，然后通過對其進行強度可靠性優(yōu)化分析設計，很大程度地提升了液壓支架的強度可靠性。經過對比分析，在偏載的工作狀況下支架掩護梁最大應力很靠近屈服極限，在扭轉的工作狀況下支架頂梁受力很大，液壓支架呈現出安全隱患跡象。

2 最大應力約束條件下液壓支架可靠性優(yōu)化設計

液壓支架在工作過程中掩護梁受力最高，并且其在頂梁承受偏載工作狀況時具有最高應力，所以在實現可靠性優(yōu)化設計過程中將其約束條件設定成“掩護梁的最大受力小于等于屈服極限作”。為了分析的簡捷，在液壓支架掩護梁上應力最大區(qū)域范圍內擇取兩個采樣點當作分析對比的依據。

2.1 參數設置

分別設立掩護梁的豎筋板板厚T1、上頂板板厚T2以及下腹板板厚T3作為設計變量，其參數初始值分別是T1=25 mm，T2=25 mm，T3=25 mm，其質量是3 345 kg。選擇其受力狀態(tài)最嚴重的偏載工作狀況作為其加載方式，在這個工作狀況下支架的實驗高度是H=2 400 mm，同時采樣點1及采樣點2的應力小于等于460 MPa，所以設定其優(yōu)化目標是“掩護梁重量最小”?？紤]選定的液壓支架所板厚均遵循國家標準，所以設定設計變量的增加步距是5 mm，與此同時考慮到小于15 mm的板材比較薄，不能和液壓支架其他組件的結構相互配套，缺少實際意義，所以在可靠性優(yōu)化設計過程中選用的板厚見表2。

2.2 優(yōu)化結果分析

通過分析結果數據，各種板厚的組合都符合掩護梁最大受力小于屈服極限的約束條件，這種情況下液壓支架重量達到最小值時掩護梁筋板板厚T1、上頂板板厚T2及下腹板板厚T3的值都是20 mm，此時的采樣點1和采樣點2的應力分別是：398.9 MPa和413.7 MPa，符合應力約束條件，掩護梁質量是2 992.29 kg(圖5和圖6)。

表2 優(yōu)化變量板厚方案

圖5 液壓支架優(yōu)化分析

圖6 掩護梁優(yōu)化分析

3 疲勞壽命約束條件下液壓支架可靠性優(yōu)化設計

因為液壓支架現行國家標準《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術條件》(GB25974.1-2010)中對其疲勞強度實驗有嚴格的規(guī)范要求，所以在其試驗中不需尋求過高的疲勞壽命，符合要求即可，以該角度為出發(fā)點，可以設定液壓支架約束條件為“滿足其循環(huán)壽命”。

3.1 參數設置

設定選用內加載方法實現循環(huán)加載，設定加載壓力1.05倍和0.25倍額定工作壓力交替進行，設定加載周期是20 000次。

3.2 優(yōu)化結果分析

針對優(yōu)化各組合方案獲得的數據進行疲勞分析，獲得符合設定疲勞壽命(20 000次)前提下的最佳方案是T1=20 mm、T2=20 mm、T3=25 mm，采樣點1和采樣點2的壽命分別是3.27×104與2.61×104，掩護梁質量為3 068.27 kg(圖7和圖8)。

圖7 液壓支架優(yōu)化分析

圖8 掩護梁優(yōu)化分析

4 可靠性優(yōu)化結果綜合分析

敏感程度即設計變量對優(yōu)化參數的影響度，其影響程度越大也就表明此設計目標對變量越敏感。運用分析參數敏感性方式就能夠掌握設計變量對設計目標的影響狀況，以此就可以首先對其進行調整，從而快速完成在確保液壓支架強度及其可靠性的前提下縮減其重量進而在很大程度上減少設計成本的優(yōu)化目標。敏感性分析見圖9。

通過圖9的敏感性分析可知，板厚對重量數值的敏感性為T1>T2>T3。依據以上數據分析可首要縮減T1的值，隨之可以對T2的值實行適當改變，最終對T3的值進行掌控。依據可靠性優(yōu)化設計分析過程，在符合掩護梁的應力值與疲勞壽命的條件下，選取出幾組性能較佳的設計數據實行下一步優(yōu)化分析，見表3。

分析表3中五個方案得知，方案A的掩護梁質量的縮減程度最高，疲勞壽命出現了下降，但仍然符合設置疲勞壽命的要求，此時的應力發(fā)生了微小改變；方案B與方案C的疲勞壽命雖都有顯著提升，但是其應力降低了且質量縮減不理想；方案D與方案A相比，雖然質量幾乎沒變，但其疲勞壽命與應力的改變不顯著；方案E雖然疲勞壽命顯著改善，但最大應力大大縮減，且其質量幾乎無改變。通過以上綜合分析確定方案A是最佳可靠性優(yōu)化設計方案。

圖9 敏感性分析圖

表3 掩護梁可靠性優(yōu)化設計備選設計方案

表4 優(yōu)化結果和原始方案的數據對比

最終優(yōu)化數據和原始設計方案及有限元分析的數據對比見表4，優(yōu)化后掩護梁的重量減小了8.5%。

5 結 論

通過分析優(yōu)化目標對各設計變量的敏感性可知，在優(yōu)化設計中優(yōu)先考慮減小掩護梁豎筋板板厚，采用較大的下腹板板厚，這樣能夠有效地減小掩護梁上的最大應力值，提高疲勞壽命。在最大應力值以及疲勞壽命等性能都符合液壓支架現行國家標準的條件下經過對ZY6400/21/45型液壓支架掩護梁的可靠性優(yōu)化設計分析，使得掩護梁的重量減小了8.5%。這種優(yōu)化設計方法不僅大大減小了液壓支架的成本，在液壓支架承擔的最大應力值以及疲勞壽命可以全部符合國家標準的基礎上縮減了重量，這都為符合液壓支架的可靠性方面提出了設計依據以及新思路。

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貴州新能源公司成功掛牌“新三板”

5月26日上午，西南能礦集團股份有限公司旗下貴州新能源開發(fā)投資股份有限公司(以下簡稱“貴州新能源”)成功掛牌“新三板”敲鐘儀式在北京隆重舉行。

貴州新能源是西南能礦集團旗下專業(yè)從事新能源開發(fā)的骨干企業(yè)，3年多來緊緊圍繞國家“節(jié)約、清潔、安全”三大能源戰(zhàn)略方針和“節(jié)能優(yōu)先、綠色低碳、立足國內、創(chuàng)新驅動”四大能源發(fā)展戰(zhàn)略，以西南能礦集團“生態(tài)環(huán)保型綠色能礦、科技創(chuàng)新型智慧能礦、資本運營型金融能礦的三型能礦”為建設目標，以公司“引領綠色矸電、打造低碳智慧校園、構建資源綜合利用服務體系”為發(fā)展定位。目前，該公司已擁有核心專利技術15項，在能源塔利用、鍋爐矸石燃料全代用等方面，取得了階段性成果，基本形成了以合同能源管理模式為基礎的燃煤電廠節(jié)能改造、以投資運營模式為基礎的綠色能源站建設運營產業(yè)布局。

貴州新能源公司成功掛牌“新三板”，標志著公司開始登陸資本市場、整合多方資源、拓寬融資渠道，步入資本運轉的快車道，公司將利用好融資與資本運作這個優(yōu)勢，做大做強，提升價值，為國家節(jié)能環(huán)保事業(yè)、綠色能源發(fā)展作出更大貢獻。

Study on the design method of the reliability optimization of the powered support cover beam

DONG Jianrong，ZHANG Xin

(Department of Mechanical Engineering，Hebei Institute of Machinery Electricity，Xingtai 054000，China)

Aimed at the current reliability optimization of hydraulic supports，the reliability optimization design of the shields of hydraulic powered supports was carried out with the finite element method under the condition of maximum stress and fatigue life constraints.The sensitivity of each optimization target to the parameters is analyzed.Finally，five design schemes are proposed and the data experiments are carried out.The optimal reliability design is obtained through the comparative analysis.The results show that after the design of the hydraulic support the optimized design not only reduces the weight and cost，and its various performance requirements can meet the national standards.The design method provides a foundation for reducing the cost of the stent and satisfying the reliability of the stent，and provides a new idea for the subsequent optimization design.

hydraulic support；cover beam；reliability；optimum design

2017-02-23 責任編輯：趙奎濤

河北省教育廳課題“采煤機械智能故障診斷技術的研究及應用”(編號：ZC2016086)

董建榮(1979-)，女，河北邢臺人，碩士，講師，研究方向為機械制造及其自動化。

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1004-4051(2017)06-0161-05