礦用液壓支架吊臂設(shè)計(jì)及截面優(yōu)化

閆愛(ài)枝，李夢(mèng)

礦用液壓支架吊臂設(shè)計(jì)及截面優(yōu)化

閆愛(ài)枝1，李夢(mèng)2

（1.陽(yáng)泉市永昱機(jī)電有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

針對(duì)礦用液壓支架再制造過(guò)程中存在安全穩(wěn)定性差、效率低等問(wèn)題，以大型礦用綜采液壓支架為研究對(duì)象，在剖析當(dāng)前中國(guó)液壓支架再制造領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r基礎(chǔ)上，針對(duì)面臨的主要問(wèn)題，結(jié)合陽(yáng)泉永昱機(jī)電有限責(zé)任公司的生產(chǎn)實(shí)況，對(duì)綜采液壓支架拆裝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)安全性、改善設(shè)備的整機(jī)性能、降低經(jīng)濟(jì)成本的目的。

煤礦；液壓支架；拆裝；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

液壓支架是為煤炭綜采工作提供支撐防護(hù)和安全保障的關(guān)鍵設(shè)備。伸縮立柱是液壓支架的主要承載部件，承受并傳遞來(lái)自綜采頂板的主要載荷。在工作條件惡劣、設(shè)備損耗快等因素的影響下，保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)立柱乃至液壓支護(hù)設(shè)備的再制造修復(fù)，是煤礦安全生產(chǎn)的重要任務(wù)[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(gè)再制造過(guò)程最先開(kāi)始且極為重要的環(huán)節(jié)。當(dāng)前中國(guó)成熟的液壓支架再制造技術(shù)發(fā)展有限，存在許多問(wèn)題。中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司張學(xué)瑞研究的一種夾持式立柱拆裝機(jī)，由于立柱屬于重型圓柱體結(jié)構(gòu)，采用夾持方式拆裝的工作難度大、穩(wěn)定性差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[3]。除此之外，中國(guó)很多煤礦企業(yè)采用行車(chē)、叉車(chē)等非專(zhuān)業(yè)的拆裝設(shè)備進(jìn)行立柱與支架的分離組裝，存在工作效率低、安全性差等問(wèn)題[4]。本文在剖析當(dāng)前中國(guó)液壓支架再制造領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r基礎(chǔ)上，結(jié)合陽(yáng)泉永昱機(jī)電有限責(zé)任公司的生產(chǎn)實(shí)際，針對(duì)其中穩(wěn)定性差、安全性低等問(wèn)題，對(duì)綜采液壓支架拆裝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 液壓支架拆裝設(shè)備概況

液壓支架拆裝設(shè)備主要由以下三部分組成：①框架式拆裝機(jī)構(gòu)。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(fù)載支撐、控制作業(yè)范圍、保證工作安全等作用。②單鉸雙鉤吊裝機(jī)構(gòu)。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(dòng)的作用。③吊裝機(jī)械臂。由吊臂、吊鉤裝置、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、液壓油缸組成，用于液壓支架伸縮立柱的分離及組裝作業(yè)。

3 吊臂截面形式選擇

隨著技術(shù)的發(fā)展，起重吊臂朝著曲線(xiàn)形狀發(fā)展，綜合考慮制造工藝和工作性能，當(dāng)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(zhì)量的同時(shí)，最大程度地提高了材料使用的機(jī)械性能，解決了局部易失穩(wěn)的問(wèn)題，大大提高了工作的可靠性和穩(wěn)定性。較橢圓形截面，其制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也低很多。

4 U形截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)是對(duì)吊臂的U形截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)吊臂輕量化設(shè)計(jì)的目的。即保持U形截面形狀不變，在結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力及剛度范圍之內(nèi)，調(diào)整截面尺寸，從而使吊臂質(zhì)量最小。

4.1 U形截面幾何參數(shù)分析

U形截面參數(shù)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(zhǎng)度s、上矩形蓋板厚度s、下半圓內(nèi)直徑n、下半圓外直徑w。

圖1 U形截面參數(shù)圖

吊臂質(zhì)量為：

上式中，為吊臂質(zhì)量；為密度，根據(jù)材料確定；為吊臂體積；為吊臂長(zhǎng)度；為截面面積。所以是關(guān)于參數(shù)s，s，n，w的函數(shù)，即=（s，s，n，w）。

4.2 吊臂靜力學(xué)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)初始值：s=250 mm，s=30 mm，n=340 mm，w=400 mm，=5 000 mm，額定起質(zhì)量為5 t。運(yùn)用ANSYS Workbench建立吊臂模型，對(duì)其強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析?？梢缘玫皆陬~定載荷下，吊臂的最大應(yīng)力為58.733 MPa，最大靜位移為10.002 mm，質(zhì)量是1 673.5 kg。吊臂材料選用Q345，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 3811—2008），求得許用應(yīng)力為233 MPa，許用剛度為25 mm。對(duì)比數(shù)據(jù)可知吊臂強(qiáng)度和剛度都遠(yuǎn)小于許用值，滿(mǎn)足安全要求，但用料多，質(zhì)量大，所以需要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)改善。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

4.3.1 設(shè)計(jì)變量

截面尺寸決定了吊臂質(zhì)量，本文將吊臂U形截面尺寸，即上矩形蓋板長(zhǎng)度s、上矩形蓋板厚度s、下半圓內(nèi)直徑n、下半圓外直徑w作為本次優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。

4.3.2 約束條件

吊臂在上述工況下達(dá)到安全狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度、剛度都有很大盈余，所以將強(qiáng)度和剛度設(shè)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(yīng)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?gòu)?qiáng)度約束條件，0≤許用應(yīng)力≤200 MPa；②剛度約束條件，0≤許用靜位移≤20 mm。

4.3.3 目標(biāo)函數(shù)

本文設(shè)計(jì)的目的是使吊臂在安全范圍內(nèi)最大程度地減小質(zhì)量，即將min作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為：

（）=min=（s，s，n，w）min

4.4 優(yōu)化過(guò)程及結(jié)果分析

在ANSYS Workbench中構(gòu)建Direction Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到優(yōu)化結(jié)果，如圖2所示。

通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)，可以看出在滿(mǎn)足吊臂的強(qiáng)度約束200 MPa、剛度約束20 mm的安全要求范圍內(nèi)，優(yōu)化后的吊臂質(zhì)量得到了很明顯的改善，較優(yōu)化前，Point 1變形為19.521 mm，增大了95.17%；應(yīng)力為124.05 MPa，增大了111.2%；質(zhì)量為938.03 kg，減小了43.9%。Point 2變形為18.654 mm，增大了86.5%；應(yīng)力為124.5 MPa，增大了111.98%；質(zhì)量為980.86 kg，減小了41.29%。Point 3變形為14.868 mm，增大了48.65%；應(yīng)力為102.9 MPa，增大了75.2%；質(zhì)量為1 038.7 kg，減小了37.93%。

綜合考慮吊臂的應(yīng)力和變形情況，選擇Point 3作為最佳優(yōu)化方案，對(duì)應(yīng)的參數(shù)w=398 mm，n=371.15 mm，s=262.9 mm，s=30.438 mm。

圖2 優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)論

本文在分析礦用液壓支架再制造技術(shù)發(fā)展概況的基礎(chǔ)上，針對(duì)專(zhuān)門(mén)用于礦用液壓支架拆裝設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中包括框架式拆裝結(jié)構(gòu)、單鉸雙鉤吊裝機(jī)構(gòu)和吊裝機(jī)械臂。

通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)U形截面吊臂進(jìn)行分析，明確U形截面吊臂的應(yīng)力、整體變形的變化情況。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在滿(mǎn)足強(qiáng)度約束200 MPa、剛度約束20 mm安全要求的基礎(chǔ)上，得到合理的U形截面尺寸參數(shù)，實(shí)現(xiàn)吊臂的輕量化設(shè)計(jì)。其中綜合考慮吊臂的應(yīng)力和變形情況，選擇Point 3的尺寸參數(shù)w=398 mm，n=371.15 mm，s=262.9 mm，s=30.438 mm作為最佳優(yōu)化方案。此參數(shù)下的吊臂質(zhì)量3=1 038.7 kg，較優(yōu)化前減小了37.93%，優(yōu)化效果明顯。

通過(guò)以上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了設(shè)備受力特性，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和工作安全性的目的，對(duì)提高起重設(shè)備的整機(jī)性能和降低經(jīng)濟(jì)成本都有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］劉琦.淺析煤礦機(jī)械安全技術(shù)現(xiàn)狀與對(duì)策［J］.科技視界，2016（19）：273.

［2］黎文強(qiáng)，馬宗斌，王騰飛，等.液壓支架立柱再制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2016，37（1）：198-200.

［3］張學(xué)瑞.立柱拆裝機(jī)簡(jiǎn)介及拆裝工藝探索研究［J］.煤炭技術(shù)，2018，37（11）：323-325.

［4］吳子恒.綜采液壓支架組裝架的設(shè)計(jì)與分析［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2015.

TD355.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.036

2095－6835（2019）16－0087－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕