液压支架强度可靠性优化设计方法研究

王金明

摘 要：文章以液压支架掩护梁结构为研究对象，分别在最大应力约束以及疲劳寿命约束条件下，对液压支架掩护梁结构强度可靠性优化设计方法展开分析，根据有限元分析结果，提出几组综合性能较好的优化组合方案，并通过对比分析，得出了最佳的优化设计，可在后续实践中进一步引起关注。

关键词：液压支架；掩护梁；可靠性优化；设计

在一般运行工况下，在液压支架主要部件当中，以掩护梁的受力水平最大。同时，在顶梁承受偏载工况的条件下，掩护梁的受力情况最为恶劣，因此掩护梁上会出现应力极限值的情况。在对液压支架强度可靠性进行优化设计的过程中，其可靠性需要通过引入疲劳寿命指标的方式进行测定。基于以上分析，在对有关掩护梁强度可靠性优化设计时，需要以最大应力约束以及疲劳寿命为假设条件，展開有限元分析，根据分析，设定出合理的可靠性优化设计方案，达到优化液压支架运行能效的目的。

1 基于最大应力约束的强度可靠性优化设计

在对液压支架掩护梁强度可靠性进行优化设计的过程中，可以将“掩护梁最大受力不超过屈服极限水平”作为优化的约束条件。为了方便分析，在掩护梁上应力最大区域取两个采样点，将其作为分析对比的依据。在分析过程当中，对其进行优化改进。

1.1 优化变量设定

在对液压支架掩护梁结构进行优化的阶段中，液压支架中的主要参数以及空间尺寸已经基本完成设计，为恒定状态。因此，设计变量可以选取支架主要部件所对应的钢板厚度，同时可在有限元优化中对其初始值进行定义。

假定对于液压支架掩护梁而言，3个板厚分别定义为T1，T2，T3，均为设计变量，T1取值为25.0mm，为掩护梁竖筋板板厚，T2取值为25.0mm，为掩护梁上顶板板厚，T3取值为25.0mm，为掩护梁下腹板板厚。该状态下掩护梁整体质量为3345.0g。

1.2 有限元优化分析

在有限元分析过程当中，选择掩护梁受力条件最为恶劣的偏载工况作为加载方式。在此工况下，整个液压支架的实验高度取值为2400.0mm。应力极限值在460.0MPa范围内，因此可设定掩护梁重量最小作为强度可靠性优化设计的基本目标。同时，遵循现行国家标准，将设计变量的增长步长设置为5.0mm。同时，对于液压支架而言，厚度在15.0mm以下的板材较为单薄，与液压支架其他组件结构无法相互配合，因此缺乏实际意义，故而在可靠性优化设计分析中，按照下表（见表1）方式选择板厚，计算相应的组合方案。

表1 优化变量板厚组合方案示意表

1.3 有限元优化结果分析

根据在不同组合方案下得到的数据分析来看，按照表1所取值IDE各种板厚组合方案均能够满足液压支架掩护梁结构强度可靠性优化设计中“掩护梁最大受力不超过屈服极限水平”的要求。在此状态下，在液压支架重量取最小值时，板材厚度T1，T2，T3均取值为20.0mm，与之相对应的探测点1应力水平为398.9MPa，探测点2应力水平为413.7MPa，可以满足应力标准要求，对应的液压支架掩护梁质量水平为2992.29kg。

2 基于疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计

由于在现行国家标准《煤矿用液压支架第一部分（通用技术条件）》中，已经针对液压支架疲劳强度实验方法与结果提出了严格要求，因此在液压支架实验中仅需要满足要求即可，无需过分追求较大的疲劳寿命水平。从这一角度上来说，在对液压支架强度可靠性进行优化分析的过程中，不需要单独将液压支架疲劳寿命作为优化目标，将其满足循环寿命作为可靠性优化中的约束条件之一。从这一角度上来说，对于液压支架掩护梁而言，基于疲劳寿命约束的强度可靠性优化设计可以从如下角度进行分析：

2.1 设定负载水平

在现行国家标准《煤矿用液压支架第一部分（通用技术条件）》中，耐久性试验规范中要求采取内加载方式进行循环加载，加载压力交替设置为1.05*额定工作压力以及0.25*额定工作压力。加载周期按照规范标准，设定为20000次。

2.2 有限元优化分析

有限元分析过程当中，结构材料为Q460，弹性模量取值为210000.0MPa，密度标准值为7.85kg/m3，泊松比取值为0.3，结构屈服强度取值为460.0MPa。根据结构优化分析数据表，可在满足所设定疲劳寿命（即加载周期20000次）的条件下，最优方案为板材厚度T1，T2，T3分别取值为20.0mm，20.0mm，以及25.0mm，与之相对应的探测点1寿命水平为3.2*104，探测点2寿命水平为2.6*104。

3 可靠性优化设计结果分析

根据以上分析数据，在最终确定可靠性优化设计方案的过程中，可以首先考虑适当减小T1板材厚度，然后可对T2板材厚度进行调整，最后是对T3板材厚度的控制。根据有限元分析结果，在满足液压支架掩护梁疲劳寿命以及应力水平基本要求的前提下，可先选几组性能较好的数据作为优选方案，展开进一步分析。备选数据方案如下表所示（见表2）。

表2 备选数据方案示意表

4 结束语

对以上各个方案的可靠性优化结果进行对比分析：其中，对于A方案而言，在该组合下，液压支架掩护梁质量减小比例最大，虽然疲劳寿命有一定程度上的下降，但仍然能够满足所设定疲劳寿命（即加载周期20000次）的基本要求，同时应力变化较小。对于B方案以及C方案而言，虽然疲劳寿命取值有一定程度上的提高趋势，但同时应力值也对应下降，液压支架掩护梁质量减小状态不理想。对比A方案，D方案虽然能够使液压支架掩护梁的整体重量得到控制，但液压支架掩护梁的应力水平以及疲劳寿命改善效果均不理想。E方案虽然能够增大疲劳寿命，但也同时降低了最大应力水平，导致液压支架掩护梁质量与优化前差异不明显。故而，最终选择A方案作为可靠性优化方案。

参考文献

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