液壓支架強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

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1基于最大應(yīng)力約束的強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1優(yōu)化變量設(shè)定

在對液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的階段中，液壓支架中的主要參數(shù)以及空間尺寸已經(jīng)基本完成設(shè)計(jì)，為恒定狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)變量可以選取支架主要部件所對應(yīng)的鋼板厚度，同時可在有限元優(yōu)化中對其初始值進(jìn)行定義。假定對于液壓支架掩護(hù)梁而言，3個板厚分別定義為T1，T2，T3，均為設(shè)計(jì)變量，T1取值為25.0mm，為掩護(hù)梁豎筋板板厚，T2取值為25.0mm，為掩護(hù)梁上頂板板厚，T3取值為25.0mm，為掩護(hù)梁下腹板板厚。該狀態(tài)下掩護(hù)梁整體質(zhì)量為3345.0g。

1.2有限元優(yōu)化分析

在有限元分析過程當(dāng)中，選擇掩護(hù)梁受力條件最為惡劣的偏載工況作為加載方式。在此工況下，整個液壓支架的實(shí)驗(yàn)高度取值為2400.0mm。應(yīng)力極限值在460.0MPa范圍內(nèi)，因此可設(shè)定掩護(hù)梁重量最小作為強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)。同時，遵循現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計(jì)變量的增長步長設(shè)置為5.0mm。同時，對于液壓支架而言，厚度在15.0mm以下的板材較為單薄，與液壓支架其他組件結(jié)構(gòu)無法相互配合，因此缺乏實(shí)際意義，故而在可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)分析中，按照下表方式選擇板厚，計(jì)算相應(yīng)的組合方案。

1.3有限元優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)在不同組合方案下得到的數(shù)據(jù)分析來看，按照表1所取值IDE各種板厚組合方案均能夠滿足液壓支架掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)中“掩護(hù)梁最大受力不超過屈服極限水平”的要求。在此狀態(tài)下，在液壓支架重量取最小值時，板材厚度T1，T2，T3均取值為20.0mm，與之相對應(yīng)的探測點(diǎn)1應(yīng)力水平為398.9MPa，探測點(diǎn)2應(yīng)力水平為413.7MPa，可以滿足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)要求，對應(yīng)的液壓支架掩護(hù)梁質(zhì)量水平為2992.29kg。

2基于疲勞壽命約束的強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用液壓支架第一部分（通用技術(shù)條件）》中，已經(jīng)針對液壓支架疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果提出了嚴(yán)格要求，因此在液壓支架實(shí)驗(yàn)中僅需要滿足要求即可，無需過分追求較大的疲勞壽命水平。從這一角度上來說，在對液壓支架強(qiáng)度可靠性進(jìn)行優(yōu)化分析的過程中，不需要單獨(dú)將液壓支架疲勞壽命作為優(yōu)化目標(biāo)，將其滿足循環(huán)壽命作為可靠性優(yōu)化中的約束條件之一。從這一角度上來說，對于液壓支架掩護(hù)梁而言，基于疲勞壽命約束的強(qiáng)度可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從如下角度進(jìn)行分析

2.1設(shè)定負(fù)載水平

在現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦用液壓支架第一部分（通用技術(shù)條件）》中，耐久性試驗(yàn)規(guī)范中要求采取內(nèi)加載方式進(jìn)行循環(huán)加載，加載壓力交替設(shè)置為1.05*額定工作壓力以及0.25*額定工作壓力。加載周期按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定為20000次。

2.2有限元優(yōu)化分析

有限元分析過程當(dāng)中，結(jié)構(gòu)材料為Q460，彈性模量取值為210000.0MPa，密度標(biāo)準(zhǔn)值為7.85kg/m3，泊松比取值為0.3，結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度取值為460.0MPa。根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析數(shù)據(jù)表，可在滿足所設(shè)定疲勞壽命（即加載周期20000次）的條件下，最優(yōu)方案為板材厚度T1，T2，T3分別取值為20.0mm，20.0mm，以及25.0mm，與之相對應(yīng)的探測點(diǎn)1壽命水平為3.2*104，探測點(diǎn)2壽命水平為2.6*104。

3可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析

根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)，在最終確定可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的過程中，可以首先考慮適當(dāng)減小T1板材厚度，然后可對T2板材厚度進(jìn)行調(diào)整，最后是對T3板材厚度的控制。根據(jù)有限元分析結(jié)果，在滿足液壓支架掩護(hù)梁疲勞壽命以及應(yīng)力水平基本要求的前提下，可先選幾組性能較好的數(shù)據(jù)作為優(yōu)選方案，展開進(jìn)一步分析。備選數(shù)據(jù)方案如下表所示。

4結(jié)束語

對以上各個方案的可靠性優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比分析：其中，對于A方案而言，在該組合下，液壓支架掩護(hù)梁質(zhì)量減小比例最大，雖然疲勞壽命有一定程度上的下降，但仍然能夠滿足所設(shè)定疲勞壽命（即加載周期20000次）的基本要求，同時應(yīng)力變化較小。對于B方案以及C方案而言，雖然疲勞壽命取值有一定程度上的提高趨勢，但同時應(yīng)力值也對應(yīng)下降，液壓支架掩護(hù)梁質(zhì)量減小狀態(tài)不理想。對比A方案，D方案雖然能夠使液壓支架掩護(hù)梁的整體重量得到控制，但液壓支架掩護(hù)梁的應(yīng)力水平以及疲勞壽命改善效果均不理想。E方案雖然能夠增大疲勞壽命，但也同時降低了最大應(yīng)力水平，導(dǎo)致液壓支架掩護(hù)梁質(zhì)量與優(yōu)化前差異不明顯。故而，最終選擇A方案作為可靠性優(yōu)化方案。

作者：王金明 單位：開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司