賈麗雯

（晉能控股裝備制造集團(tuán)大同機(jī)電裝備有限公司中央機(jī)廠， 山西 大同 037000）

引言

液壓支架作為綜采工作面的必要設(shè)備，對(duì)煤炭企業(yè)安全高效生產(chǎn)至關(guān)重要。液壓支架因其應(yīng)用范圍廣、體積質(zhì)量較大，使得設(shè)備成本高昂，在總設(shè)備投資中占比高達(dá)65%以上，因此，煤炭國(guó)家對(duì)液壓支架技術(shù)的發(fā)展極為重視。液壓支架因其工作環(huán)境惡劣，承受載荷較大，且不確定因素與外來載荷會(huì)不定期發(fā)生，故液壓支架損壞事故的發(fā)生較為頻繁，使得企業(yè)成本急劇上升，企業(yè)效益低下[1-5]。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文提出了基于疲勞壽命的液壓支架可靠性優(yōu)化方法，以期在保證支架滿足疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力要求的前提下進(jìn)行支架可靠性優(yōu)化分析，從而降低企業(yè)成本，提高企業(yè)效益。

1 液壓支架受力分析及其優(yōu)化

1.1 箱型結(jié)構(gòu)受力分析

箱型結(jié)構(gòu)是液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常用結(jié)構(gòu)，75%以上液壓支架都選用箱型結(jié)構(gòu)。箱型結(jié)構(gòu)包括單腔室結(jié)構(gòu)、雙腔室結(jié)構(gòu)、多腔室對(duì)稱結(jié)構(gòu)、多腔室非對(duì)稱結(jié)構(gòu)及多腔室局部開口結(jié)構(gòu)五種。本文擬采用三腔室箱型結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間力學(xué)分析，其具體空間力學(xué)分析模型如圖1 所示。

圖1 三腔室結(jié)構(gòu)空間力學(xué)模型

假定將三腔室箱型結(jié)構(gòu)固定于坐標(biāo)系之中，px、py、Px、Py、Mz為三腔室結(jié)構(gòu)所承受載荷，Qx、Qy、Mx、My、Mn為箱體承受載荷后所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在Z=0 的固定截面為最危險(xiǎn)截面，故以該截面為主要研究對(duì)象。對(duì)該截面進(jìn)行受力分析可知，在Z=0 截面上，箱體的彎曲正應(yīng)力最大點(diǎn)在距離中心軸最遠(yuǎn)的地方，即在箱體上蓋板的最上方和下腹板的最下方；箱體所受剪應(yīng)力在上蓋板與下腹板較小，主要分布于豎筋板；箱體所受的扭轉(zhuǎn)剪力主要分布于截面周邊的板元之上；等效應(yīng)力主要是通過將各類受力進(jìn)行疊加分析，最后可得等效應(yīng)力，其具體計(jì)算公式為：

式中：σ 為等效應(yīng)力，kPa；σv為正應(yīng)力，kPa；τ 為扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力與彎曲剪應(yīng)力的矢量和。

1.2 液壓支架各部件強(qiáng)度分析

本文將以ZY6400/21/45 型液壓支架為例進(jìn)行強(qiáng)度分析，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的疲勞壽命液壓支架可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。將ZY6400/21/45 型液壓支架運(yùn)用SolidWorks 軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，先將各部件進(jìn)行三維建模，然后按實(shí)際的裝配關(guān)系進(jìn)行部件裝配。液壓支架三維建模完成之后，對(duì)模型進(jìn)行載荷施加，試驗(yàn)壓力為正常工作壓力的1.2 倍，由相關(guān)數(shù)據(jù)查詢可知，試驗(yàn)壓力為7680 kN。完成上述步驟后，其有限元應(yīng)力分析如圖2 所示。

圖2 液壓支架承受載荷應(yīng)力分析圖

通過分析可知，液壓支架的掩護(hù)梁處為應(yīng)力最大處，其具體數(shù)值為452 MPa，接近于支架屈服極限，故應(yīng)對(duì)液壓支架掩護(hù)梁進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3 強(qiáng)度優(yōu)化分析

掩護(hù)梁是與連桿、千斤頂、頂梁等部件相連的重要受力部件。在實(shí)際使用過程中，掩護(hù)梁受力最為復(fù)雜，使用情況最為惡劣，液壓支架的損壞大多發(fā)生在該部位。通過箱體與液壓支架整體的受力分析可知，由于液壓支架最容易損壞處在掩護(hù)梁前端耳板處，故為改善受力情況在掩護(hù)梁豎筋板之間添加鋼板，掩護(hù)梁與頂梁連接處的箱體上添加兩塊斜筋板，其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 掩護(hù)梁強(qiáng)度優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于疲勞壽命的液壓支架可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 設(shè)計(jì)變量選取

由于ZY6400/21/45 型液壓支架掩護(hù)梁尺寸為已知參數(shù)，因此箱體長(zhǎng)度、腔室長(zhǎng)度及箱體高度不作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究對(duì)象。液壓支架在實(shí)際工作過程中，箱體的各板均會(huì)承受相應(yīng)的應(yīng)力，故豎筋板、上蓋板及下腹板的厚度均可影響支架所受應(yīng)力以及其疲勞壽命，影響支架的強(qiáng)度與剛度是否符合標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)掩護(hù)梁各板厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，其設(shè)計(jì)變量選取如圖4 所示。

圖4 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量示意圖

圖4 中，t1、t2、t3為設(shè)計(jì)變量，表示公式為：

2.1.2 目標(biāo)函數(shù)建立

液壓支架的質(zhì)量是影響支架制造成本及使用成本的關(guān)鍵因素，需在滿足液壓支架強(qiáng)度要求的前提之下盡可能減小支架質(zhì)量，降低企業(yè)綜合成本。故將掩護(hù)梁質(zhì)量設(shè)計(jì)為質(zhì)量最小，其目標(biāo)函數(shù)為：

式中：ρ 為液壓支架密度，kg/m3；V 為液壓支架體積，m3；v 為t1，t2，t3。

2.1.3 約束條件

通過對(duì)二柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行受力分析可知，掩護(hù)梁為液壓支架受力最大點(diǎn)，因此其主要約束部位為掩護(hù)梁處，根據(jù)液壓支架的相關(guān)通用標(biāo)準(zhǔn)，將掩護(hù)梁的疲勞壽命作為主要約束條件。

2.2 基于疲勞壽命的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于實(shí)際作業(yè)過程中，液壓支架受力復(fù)雜、環(huán)境多變，故采用有限元的方法進(jìn)行液壓支架的疲勞壽命可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)《煤礦用液壓支架第一部分：通用技術(shù)條件》，采用內(nèi)加載方式進(jìn)行壓力加載，其試驗(yàn)壓力為1.05 倍的工作壓力和0.25 倍的工作壓力，加載周期為20000 次，疲勞曲線運(yùn)用Q460 材料的疲勞曲線。掩護(hù)梁有限元分析如圖5 所示。

圖5 掩護(hù)梁有限元分析示意圖

通過有限元分析可知，t1對(duì)應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度影響最小，對(duì)質(zhì)量影響最大；t2程度次之；t3對(duì)應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度影響最大。因此，應(yīng)首先對(duì)t1進(jìn)行厚度減小，t2次之，t3最后進(jìn)行優(yōu)化。ZY6400/21/45 型液壓支架初始數(shù)據(jù)為t1=25 mm、t2=25 mm、t3=25 mm，應(yīng)用上述方法進(jìn)行厚度優(yōu)化后結(jié)果為t1=20mm、t2=20mm、t3=25mm。通過分析研究，該方案在滿足應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度的前提下，其質(zhì)量減輕了8.7%，滿足成本降低、疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力符合要求的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

1）液壓支架的負(fù)載最大部件為掩護(hù)梁，ZY6400/21/45 型液壓支架負(fù)載為452 MPa，接近于屈服極限，需對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化。

2）采用基于疲勞壽命的液壓支架可靠性優(yōu)化方法，液壓支架在滿足疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力要求的前提下，質(zhì)量下降了8.7%，降低了支架成產(chǎn)成本，提高了企業(yè)效益。