董建榮，張 欣(河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河北 邢臺(tái) 054000)

液壓支架掩護(hù)梁可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

董建榮，張 欣
(河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河北 邢臺(tái) 054000)

針對(duì)液壓支架目前的可靠性優(yōu)化研究現(xiàn)狀，分別在最大應(yīng)力與疲勞壽命約束前提下，結(jié)合有限元分析方法對(duì)液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析了每個(gè)優(yōu)化目標(biāo)對(duì)參數(shù)的敏感程度，最終提出了五個(gè)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析獲得了最佳的可靠性性優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其結(jié)果表明經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)方法在降低支架成本、滿足支架的可靠性方面提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，為之后的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

液壓支架；掩護(hù)梁；可靠性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

液壓支架作為綜采工作面的主要設(shè)備，其可靠性及設(shè)計(jì)合理性將影響綜采設(shè)備的正常使用。目前，把可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于液壓支架的計(jì)算方法還沒(méi)有確立。近年來(lái)，煤炭行業(yè)的發(fā)展十分迅速，隨之井下對(duì)液壓支架可靠性的需求也在逐步提升，對(duì)支架的強(qiáng)度及可靠性也提出了越來(lái)越高的要求。盡管我國(guó)液壓支架的制造水平已經(jīng)有了很大提升，但是在強(qiáng)度與可靠性方面與其他先進(jìn)國(guó)家相比還有很大差距，如何提高液壓支架的強(qiáng)度及可靠性，并在保證可靠性的前提下完成對(duì)支架的優(yōu)化，已成為目前液壓支架研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。因此本文對(duì)液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了液壓支架的強(qiáng)度和可靠性，延長(zhǎng)了其使用壽命，并降低了成本。

1 液壓支架有限元應(yīng)力分析

運(yùn)用SolidWorks軟件建立液壓支架的三維模型，并運(yùn)用Simulation進(jìn)行有限元分析，在有限元分析過(guò)程中，選用ZY6400/21/45型液壓支架，其參數(shù)及結(jié)構(gòu)屬性見(jiàn)表1和表2。

對(duì)其進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，見(jiàn)圖1和圖2。

表1 ZY6400/21/45型液壓支架參數(shù)

在偏心載荷工作狀況下，液壓支架掩護(hù)梁上千斤頂耳板連接位置應(yīng)力最大，是451 MPa，非常靠近材料的屈服極限(圖3)。在扭轉(zhuǎn)載荷工作狀況下，頂梁上柱窩周圍呈現(xiàn)出很大的應(yīng)力集中跡象，最大值是436 MPa(圖4)。

表2 液壓支架結(jié)構(gòu)屬性

圖1 液壓支架承載扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)的應(yīng)力分布

圖2 液壓支架承載偏心載荷時(shí)的應(yīng)力分布

圖3 偏心載荷時(shí)掩護(hù)梁應(yīng)力分布

圖4 扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)頂梁應(yīng)力分布

運(yùn)用有限元方法分析并掌握液壓支架應(yīng)力分布情況及強(qiáng)度薄弱位置，然后通過(guò)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度可靠性優(yōu)化分析設(shè)計(jì)，很大程度地提升了液壓支架的強(qiáng)度可靠性。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，在偏載的工作狀況下支架掩護(hù)梁最大應(yīng)力很靠近屈服極限，在扭轉(zhuǎn)的工作狀況下支架頂梁受力很大，液壓支架呈現(xiàn)出安全隱患跡象。

2 最大應(yīng)力約束條件下液壓支架可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

液壓支架在工作過(guò)程中掩護(hù)梁受力最高，并且其在頂梁承受偏載工作狀況時(shí)具有最高應(yīng)力，所以在實(shí)現(xiàn)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中將其約束條件設(shè)定成“掩護(hù)梁的最大受力小于等于屈服極限作”。為了分析的簡(jiǎn)捷，在液壓支架掩護(hù)梁上應(yīng)力最大區(qū)域范圍內(nèi)擇取兩個(gè)采樣點(diǎn)當(dāng)作分析對(duì)比的依據(jù)。

2.1 參數(shù)設(shè)置

分別設(shè)立掩護(hù)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(shè)計(jì)變量，其參數(shù)初始值分別是T1=25 mm，T2=25 mm，T3=25 mm，其質(zhì)量是3 345 kg。選擇其受力狀態(tài)最嚴(yán)重的偏載工作狀況作為其加載方式，在這個(gè)工作狀況下支架的實(shí)驗(yàn)高度是H=2 400 mm，同時(shí)采樣點(diǎn)1及采樣點(diǎn)2的應(yīng)力小于等于460 MPa，所以設(shè)定其優(yōu)化目標(biāo)是“掩護(hù)梁重量最小”?？紤]選定的液壓支架所板厚均遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以設(shè)定設(shè)計(jì)變量的增加步距是5 mm，與此同時(shí)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(jié)構(gòu)相互配套，缺少實(shí)際意義，所以在可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中選用的板厚見(jiàn)表2。

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

通過(guò)分析結(jié)果數(shù)據(jù)，各種板厚的組合都符合掩護(hù)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(dá)到最小值時(shí)掩護(hù)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(shí)的采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)2的應(yīng)力分別是：398.9 MPa和413.7 MPa，符合應(yīng)力約束條件，掩護(hù)梁質(zhì)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(hù)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(shè)計(jì)

因?yàn)橐簤褐Ъ墁F(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術(shù)條件》(GB25974.1-2010)中對(duì)其疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)有嚴(yán)格的規(guī)范要求，所以在其試驗(yàn)中不需尋求過(guò)高的疲勞壽命，符合要求即可，以該角度為出發(fā)點(diǎn)，可以設(shè)定液壓支架約束條件為“滿足其循環(huán)壽命”。

3.1 參數(shù)設(shè)置

設(shè)定選用內(nèi)加載方法實(shí)現(xiàn)循環(huán)加載，設(shè)定加載壓力1.05倍和0.25倍額定工作壓力交替進(jìn)行，設(shè)定加載周期是20 000次。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

針對(duì)優(yōu)化各組合方案獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞分析，獲得符合設(shè)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(diǎn)1和采樣點(diǎn)2的壽命分別是3.27×104與2.61×104，掩護(hù)梁質(zhì)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(hù)梁優(yōu)化分析

4 可靠性優(yōu)化結(jié)果綜合分析

敏感程度即設(shè)計(jì)變量對(duì)優(yōu)化參數(shù)的影響度，其影響程度越大也就表明此設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)變量越敏感。運(yùn)用分析參數(shù)敏感性方式就能夠掌握設(shè)計(jì)變量對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響狀況，以此就可以首先對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而快速完成在確保液壓支架強(qiáng)度及其可靠性的前提下縮減其重量進(jìn)而在很大程度上減少設(shè)計(jì)成本的優(yōu)化目標(biāo)。敏感性分析見(jiàn)圖9。

通過(guò)圖9的敏感性分析可知，板厚對(duì)重量數(shù)值的敏感性為T1>T2>T3。依據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可首要縮減T1的值，隨之可以對(duì)T2的值實(shí)行適當(dāng)改變，最終對(duì)T3的值進(jìn)行掌控。依據(jù)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)分析過(guò)程，在符合掩護(hù)梁的應(yīng)力值與疲勞壽命的條件下，選取出幾組性能較佳的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)行下一步優(yōu)化分析，見(jiàn)表3。

分析表3中五個(gè)方案得知，方案A的掩護(hù)梁質(zhì)量的縮減程度最高，疲勞壽命出現(xiàn)了下降，但仍然符合設(shè)置疲勞壽命的要求，此時(shí)的應(yīng)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(yīng)力降低了且質(zhì)量縮減不理想；方案D與方案A相比，雖然質(zhì)量幾乎沒(méi)變，但其疲勞壽命與應(yīng)力的改變不顯著；方案E雖然疲勞壽命顯著改善，但最大應(yīng)力大大縮減，且其質(zhì)量幾乎無(wú)改變。通過(guò)以上綜合分析確定方案A是最佳可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖9 敏感性分析圖

表3 掩護(hù)梁可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)備選設(shè)計(jì)方案

表4 優(yōu)化結(jié)果和原始方案的數(shù)據(jù)對(duì)比

最終優(yōu)化數(shù)據(jù)和原始設(shè)計(jì)方案及有限元分析的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4，優(yōu)化后掩護(hù)梁的重量減小了8.5%。

5 結(jié) 論

通過(guò)分析優(yōu)化目標(biāo)對(duì)各設(shè)計(jì)變量的敏感性可知，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮減小掩護(hù)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(hù)梁上的最大應(yīng)力值，提高疲勞壽命。在最大應(yīng)力值以及疲勞壽命等性能都符合液壓支架現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的條件下經(jīng)過(guò)對(duì)ZY6400/21/45型液壓支架掩護(hù)梁的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，使得掩護(hù)梁的重量減小了8.5%。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法不僅大大減小了液壓支架的成本，在液壓支架承擔(dān)的最大應(yīng)力值以及疲勞壽命可以全部符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)依據(jù)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(tuán)股份有限公司旗下貴州新能源開(kāi)發(fā)投資股份有限公司(以下簡(jiǎn)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(tuán)旗下專業(yè)從事新能源開(kāi)發(fā)的骨干企業(yè)，3年多來(lái)緊緊圍繞國(guó)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(guó)內(nèi)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”四大能源發(fā)展戰(zhàn)略，以西南能礦集團(tuán)“生態(tài)環(huán)保型綠色能礦、科技創(chuàng)新型智慧能礦、資本運(yùn)營(yíng)型金融能礦的三型能礦”為建設(shè)目標(biāo)，以公司“引領(lǐng)綠色矸電、打造低碳智慧校園、構(gòu)建資源綜合利用服務(wù)體系”為發(fā)展定位。目前，該公司已擁有核心專利技術(shù)15項(xiàng)，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(chǔ)的燃煤電廠節(jié)能改造、以投資運(yùn)營(yíng)模式為基礎(chǔ)的綠色能源站建設(shè)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)業(yè)布局。

貴州新能源公司成功掛牌“新三板”，標(biāo)志著公司開(kāi)始登陸資本市場(chǎng)、整合多方資源、拓寬融資渠道，步入資本運(yùn)轉(zhuǎn)的快車道，公司將利用好融資與資本運(yùn)作這個(gè)優(yōu)勢(shì)，做大做強(qiáng)，提升價(jià)值，為國(guó)家節(jié)能環(huán)保事業(yè)、綠色能源發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

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(zé)任編輯：趙奎濤

河北省教育廳課題“采煤機(jī)械智能故障診斷技術(shù)的研究及應(yīng)用”(編號(hào)：ZC2016086)

董建榮(1979-)，女，河北邢臺(tái)人，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。

TD355+.1

A

1004-4051(2017)06-0161-05