基于疲勞壽命的液壓支架可靠性優化設計

賈麗雯

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

引言

液壓支架作為綜采工作面的必要設備，對煤炭企業安全高效生產至關重要。液壓支架因其應用范圍廣、體積質量較大，使得設備成本高昂，在總設備投資中占比高達65%以上，因此，煤炭國家對液壓支架技術的發展極為重視。液壓支架因其工作環境惡劣，承受載荷較大，且不確定因素與外來載荷會不定期發生，故液壓支架損壞事故的發生較為頻繁，使得企業成本急劇上升，企業效益低下[1-5]。針對這一現象，本文提出了基于疲勞壽命的液壓支架可靠性優化方法，以期在保證支架滿足疲勞強度與應力要求的前提下進行支架可靠性優化分析，從而降低企業成本，提高企業效益。

1 液壓支架受力分析及其優化

1.1 箱型結構受力分析

箱型結構是液壓支架結構設計的常用結構，75%以上液壓支架都選用箱型結構。箱型結構包括單腔室結構、雙腔室結構、多腔室對稱結構、多腔室非對稱結構及多腔室局部開口結構五種。本文擬采用三腔室箱型結構進行空間力學分析，其具體空間力學分析模型如圖1 所示。

圖1 三腔室結構空間力學模型

假定將三腔室箱型結構固定于坐標系之中，px、py、Px、Py、Mz為三腔室結構所承受載荷，Qx、Qy、Mx、My、Mn為箱體承受載荷后所產生的內應力。在Z=0 的固定截面為最危險截面，故以該截面為主要研究對象。對該截面進行受力分析可知，在Z=0 截面上，箱體的彎曲正應力最大點在距離中心軸最遠的地方，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；箱體所受的扭轉剪力主要分布于截面周邊的板元之上；等效應力主要是通過將各類受力進行疊加分析，最后可得等效應力，其具體計算公式為：

式中：σ 為等效應力，kPa；σv為正應力，kPa；τ 為扭轉剪應力與彎曲剪應力的矢量和。

1.2 液壓支架各部件強度分析

本文將以ZY6400/21/45 型液壓支架為例進行強度分析，并對其進行相應的疲勞壽命液壓支架可靠性優化設計。將ZY6400/21/45 型液壓支架運用SolidWorks 軟件進行三維實體建模，先將各部件進行三維建模，然后按實際的裝配關系進行部件裝配。液壓支架三維建模完成之后，對模型進行載荷施加，試驗壓力為正常工作壓力的1.2 倍，由相關數據查詢可知，試驗壓力為7680 kN。完成上述步驟后，其有限元應力分析如圖2 所示。

圖2 液壓支架承受載荷應力分析圖

通過分析可知，液壓支架的掩護梁處為應力最大處，其具體數值為452 MPa，接近于支架屈服極限，故應對液壓支架掩護梁進行強度優化設計。

1.3 強度優化分析

掩護梁是與連桿、千斤頂、頂梁等部件相連的重要受力部件。在實際使用過程中，掩護梁受力最為復雜，使用情況最為惡劣，液壓支架的損壞大多發生在該部位。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梁前端耳板處，故為改善受力情況在掩護梁豎筋板之間添加鋼板，掩護梁與頂梁連接處的箱體上添加兩塊斜筋板，其具體結構示意圖如圖3 所示。

圖3 掩護梁強度優化結構示意圖

2 基于疲勞壽命的液壓支架可靠性優化設計

2.1 參數優化

2.1.1 設計變量選取

由于ZY6400/21/45 型液壓支架掩護梁尺寸為已知參數，因此箱體長度、腔室長度及箱體高度不作為優化設計的研究對象。液壓支架在實際工作過程中，箱體的各板均會承受相應的應力，故豎筋板、上蓋板及下腹板的厚度均可影響支架所受應力以及其疲勞壽命，影響支架的強度與剛度是否符合標準。對掩護梁各板厚度進行設計分析，其設計變量選取如圖4 所示。

圖4 參數優化設計變量示意圖

圖4 中，t1、t2、t3為設計變量，表示公式為：

2.1.2 目標函數建立

液壓支架的質量是影響支架制造成本及使用成本的關鍵因素，需在滿足液壓支架強度要求的前提之下盡可能減小支架質量，降低企業綜合成本。故將掩護梁質量設計為質量最小，其目標函數為：

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

通過對二柱掩護式液壓支架進行受力分析可知，掩護梁為液壓支架受力最大點，因此其主要約束部位為掩護梁處，根據液壓支架的相關通用標準，將掩護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化設計

由于實際作業過程中，液壓支架受力復雜、環境多變，故采用有限元的方法進行液壓支架的疲勞壽命可靠性優化設計。根據《煤礦用液壓支架第一部分：通用技術條件》，采用內加載方式進行壓力加載，其試驗壓力為1.05 倍的工作壓力和0.25 倍的工作壓力，加載周期為20000 次，疲勞曲線運用Q460 材料的疲勞曲線。掩護梁有限元分析如圖5 所示。

圖5 掩護梁有限元分析示意圖

通過有限元分析可知，t1對應力及疲勞強度影響最小，對質量影響最大；t2程度次之；t3對應力與疲勞強度影響最大。因此，應首先對t1進行厚度減小，t2次之，t3最后進行優化。ZY6400/21/45 型液壓支架初始數據為t1=25 mm、t2=25 mm、t3=25 mm，應用上述方法進行厚度優化后結果為t1=20mm、t2=20mm、t3=25mm。通過分析研究，該方案在滿足應力與疲勞強度的前提下，其質量減輕了8.7%，滿足成本降低、疲勞強度與應力符合要求的可靠性優化設計。

3 結論

1）液壓支架的負載最大部件為掩護梁，ZY6400/21/45 型液壓支架負載為452 MPa，接近于屈服極限，需對其進行強度優化。

2）采用基于疲勞壽命的液壓支架可靠性優化方法，液壓支架在滿足疲勞強度與應力要求的前提下，質量下降了8.7%，降低了支架成產成本，提高了企業效益。