液壓支架強度可靠性優化設計方法研究

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1基于最大應力約束的強度可靠性優化設計

1.1優化變量設定

在對液壓支架掩護梁結構進行優化的階段中，液壓支架中的主要參數以及空間尺寸已經基本完成設計，為恒定狀態。因此，設計變量可以選取支架主要部件所對應的鋼板厚度，同時可在有限元優化中對其初始值進行定義。假定對于液壓支架掩護梁而言，3個板厚分別定義為T1，T2，T3，均為設計變量，T1取值為25.0mm，為掩護梁豎筋板板厚，T2取值為25.0mm，為掩護梁上頂板板厚，T3取值為25.0mm，為掩護梁下腹板板厚。該狀態下掩護梁整體質量為3345.0g。

1.2有限元優化分析

在有限元分析過程當中，選擇掩護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，整個液壓支架的實驗高度取值為2400.0mm。應力極限值在460.0MPa范圍內，因此可設定掩護梁重量最小作為強度可靠性優化設計的基本目標。同時，遵循現行國家標準，將設計變量的增長步長設置為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構無法相互配合，因此缺乏實際意義，故而在可靠性優化設計分析中，按照下表方式選擇板厚，計算相應的組合方案。

1.3有限元優化結果分析

根據在不同組合方案下得到的數據分析來看，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梁結構強度可靠性優化設計中“掩護梁最大受力不超過屈服極限水平”的要求。在此狀態下，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，與之相對應的探測點1應力水平為398.9MPa，探測點2應力水平為413.7MPa，可以滿足應力標準要求，對應的液壓支架掩護梁質量水平為2992.29kg。

2基于疲勞壽命約束的強度可靠性優化設計

由于在現行國家標準《煤礦用液壓支架第一部分（通用技術條件）》中，已經針對液壓支架疲勞強度實驗方法與結果提出了嚴格要求，因此在液壓支架實驗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，在對液壓支架強度可靠性進行優化分析的過程中，不需要單獨將液壓支架疲勞壽命作為優化目標，將其滿足循環壽命作為可靠性優化中的約束條件之一。從這一角度上來說，對于液壓支架掩護梁而言，基于疲勞壽命約束的強度可靠性優化設計可以從如下角度進行分析

2.1設定負載水平

在現行國家標準《煤礦用液壓支架第一部分（通用技術條件）》中，耐久性試驗規范中要求采取內加載方式進行循環加載，加載壓力交替設置為1.05*額定工作壓力以及0.25*額定工作壓力。加載周期按照規范標準，設定為20000次。

2.2有限元優化分析

有限元分析過程當中，結構材料為Q460，彈性模量取值為210000.0MPa，密度標準值為7.85kg/m3，泊松比取值為0.3，結構屈服強度取值為460.0MPa。根據結構優化分析數據表，可在滿足所設定疲勞壽命（即加載周期20000次）的條件下，最優方案為板材厚度T1，T2，T3分別取值為20.0mm，20.0mm，以及25.0mm，與之相對應的探測點1壽命水平為3.2*104，探測點2壽命水平為2.6*104。

3可靠性優化設計結果分析

根據以上分析數據，在最終確定可靠性優化設計方案的過程中，可以首先考慮適當減小T1板材厚度，然后可對T2板材厚度進行調整，最后是對T3板材厚度的控制。根據有限元分析結果，在滿足液壓支架掩護梁疲勞壽命以及應力水平基本要求的前提下，可先選幾組性能較好的數據作為優選方案，展開進一步分析。備選數據方案如下表所示。

4結束語

對以上各個方案的可靠性優化結果進行對比分析：其中，對于A方案而言，在該組合下，液壓支架掩護梁質量減小比例最大，雖然疲勞壽命有一定程度上的下降，但仍然能夠滿足所設定疲勞壽命（即加載周期20000次）的基本要求，同時應力變化較小。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，但同時應力值也對應下降，液壓支架掩護梁質量減小狀態不理想。對比A方案，D方案雖然能夠使液壓支架掩護梁的整體重量得到控制，但液壓支架掩護梁的應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力水平，導致液壓支架掩護梁質量與優化前差異不明顯。故而，最終選擇A方案作為可靠性優化方案。

作者：王金明 單位：開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業分公司