液压支架掩护梁可靠性优化设计方法研究

董建荣，张 欣(河北机电职业技术学院机械工程系，河北 邢台 054000)

液压支架掩护梁可靠性优化设计方法研究

董建荣，张 欣
(河北机电职业技术学院机械工程系，河北 邢台 054000)

针对液压支架目前的可靠性优化研究现状，分别在最大应力与疲劳寿命约束前提下，结合有限元分析方法对液压支架掩护梁结构进行了可靠性优化设计。分析了每个优化目标对参数的敏感程度，最终提出了五个设计方案，并对其进行了数据实验，通过实验的对比分析获得了最佳的可靠性性优化设计方案，其结果表明经过优化设计后的液压支架不仅降低了重量及成本，而且其各种性能要求都能满足国家标准。该设计方法在降低支架成本、满足支架的可靠性方面提供了设计依据，为之后的优化设计提供了新的思路。

液压支架；掩护梁；可靠性；优化设计

0 引 言

液压支架作为综采工作面的主要设备，其可靠性及设计合理性将影响综采设备的正常使用。目前，把可靠性优化设计应用于液压支架的计算方法还没有确立。近年来，煤炭行业的发展十分迅速，随之井下对液压支架可靠性的需求也在逐步提升，对支架的强度及可靠性也提出了越来越高的要求。尽管我国液压支架的制造水平已经有了很大提升，但是在强度与可靠性方面与其他先进国家相比还有很大差距，如何提高液压支架的强度及可靠性，并在保证可靠性的前提下完成对支架的优化，已成为目前液压支架研究的热点问题。因此本文对液压支架掩护梁结构进行了可靠性优化设计，提高了液压支架的强度和可靠性，延长了其使用寿命，并降低了成本。

1 液压支架有限元应力分析

运用SolidWorks软件建立液压支架的三维模型，并运用Simulation进行有限元分析，在有限元分析过程中，选用ZY6400/21/45型液压支架，其参数及结构属性见表1和表2。

对其进行有限元应力分析，见图1和图2。

表1 ZY6400/21/45型液压支架参数

在偏心载荷工作状况下，液压支架掩护梁上千斤顶耳板连接位置应力最大，是451 MPa，非常靠近材料的屈服极限(图3)。在扭转载荷工作状况下，顶梁上柱窝周围呈现出很大的应力集中迹象，最大值是436 MPa(图4)。

表2 液压支架结构属性

图1 液压支架承载扭转载荷时的应力分布

图2 液压支架承载偏心载荷时的应力分布

图3 偏心载荷时掩护梁应力分布

图4 扭转载荷时顶梁应力分布

运用有限元方法分析并掌握液压支架应力分布情况及强度薄弱位置，然后通过对其进行强度可靠性优化分析设计，很大程度地提升了液压支架的强度可靠性。经过对比分析，在偏载的工作状况下支架掩护梁最大应力很靠近屈服极限，在扭转的工作状况下支架顶梁受力很大，液压支架呈现出安全隐患迹象。

2 最大应力约束条件下液压支架可靠性优化设计

液压支架在工作过程中掩护梁受力最高，并且其在顶梁承受偏载工作状况时具有最高应力，所以在实现可靠性优化设计过程中将其约束条件设定成“掩护梁的最大受力小于等于屈服极限作”。为了分析的简捷，在液压支架掩护梁上应力最大区域范围内择取两个采样点当作分析对比的依据。

2.1 参数设置

分别设立掩护梁的竖筋板板厚T1、上顶板板厚T2以及下腹板板厚T3作为设计变量，其参数初始值分别是T1=25 mm，T2=25 mm，T3=25 mm，其质量是3 345 kg。选择其受力状态最严重的偏载工作状况作为其加载方式，在这个工作状况下支架的实验高度是H=2 400 mm，同时采样点1及采样点2的应力小于等于460 MPa，所以设定其优化目标是“掩护梁重量最小”。考虑选定的液压支架所板厚均遵循国家标准，所以设定设计变量的增加步距是5 mm，与此同时考虑到小于15 mm的板材比较薄，不能和液压支架其他组件的结构相互配套，缺少实际意义，所以在可靠性优化设计过程中选用的板厚见表2。

2.2 优化结果分析

通过分析结果数据，各种板厚的组合都符合掩护梁最大受力小于屈服极限的约束条件，这种情况下液压支架重量达到最小值时掩护梁筋板板厚T1、上顶板板厚T2及下腹板板厚T3的值都是20 mm，此时的采样点1和采样点2的应力分别是：398.9 MPa和413.7 MPa，符合应力约束条件，掩护梁质量是2 992.29 kg(图5和图6)。

表2 优化变量板厚方案

图5 液压支架优化分析

图6 掩护梁优化分析

3 疲劳寿命约束条件下液压支架可靠性优化设计

因为液压支架现行国家标准《煤矿用液压支架 第1部分：通用技术条件》(GB25974.1-2010)中对其疲劳强度实验有严格的规范要求，所以在其试验中不需寻求过高的疲劳寿命，符合要求即可，以该角度为出发点，可以设定液压支架约束条件为“满足其循环寿命”。

3.1 参数设置

设定选用内加载方法实现循环加载，设定加载压力1.05倍和0.25倍额定工作压力交替进行，设定加载周期是20 000次。

3.2 优化结果分析

针对优化各组合方案获得的数据进行疲劳分析，获得符合设定疲劳寿命(20 000次)前提下的最佳方案是T1=20 mm、T2=20 mm、T3=25 mm，采样点1和采样点2的寿命分别是3.27×104与2.61×104，掩护梁质量为3 068.27 kg(图7和图8)。

图7 液压支架优化分析

图8 掩护梁优化分析

4 可靠性优化结果综合分析

敏感程度即设计变量对优化参数的影响度，其影响程度越大也就表明此设计目标对变量越敏感。运用分析参数敏感性方式就能够掌握设计变量对设计目标的影响状况，以此就可以首先对其进行调整，从而快速完成在确保液压支架强度及其可靠性的前提下缩减其重量进而在很大程度上减少设计成本的优化目标。敏感性分析见图9。

通过图9的敏感性分析可知，板厚对重量数值的敏感性为T1>T2>T3。依据以上数据分析可首要缩减T1的值，随之可以对T2的值实行适当改变，最终对T3的值进行掌控。依据可靠性优化设计分析过程，在符合掩护梁的应力值与疲劳寿命的条件下，选取出几组性能较佳的设计数据实行下一步优化分析，见表3。

分析表3中五个方案得知，方案A的掩护梁质量的缩减程度最高，疲劳寿命出现了下降，但仍然符合设置疲劳寿命的要求，此时的应力发生了微小改变；方案B与方案C的疲劳寿命虽都有显著提升，但是其应力降低了且质量缩减不理想；方案D与方案A相比，虽然质量几乎没变，但其疲劳寿命与应力的改变不显著；方案E虽然疲劳寿命显著改善，但最大应力大大缩减，且其质量几乎无改变。通过以上综合分析确定方案A是最佳可靠性优化设计方案。

图9 敏感性分析图

表3 掩护梁可靠性优化设计备选设计方案

表4 优化结果和原始方案的数据对比

最终优化数据和原始设计方案及有限元分析的数据对比见表4，优化后掩护梁的重量减小了8.5%。

5 结 论

通过分析优化目标对各设计变量的敏感性可知，在优化设计中优先考虑减小掩护梁竖筋板板厚，采用较大的下腹板板厚，这样能够有效地减小掩护梁上的最大应力值，提高疲劳寿命。在最大应力值以及疲劳寿命等性能都符合液压支架现行国家标准的条件下经过对ZY6400/21/45型液压支架掩护梁的可靠性优化设计分析，使得掩护梁的重量减小了8.5%。这种优化设计方法不仅大大减小了液压支架的成本，在液压支架承担的最大应力值以及疲劳寿命可以全部符合国家标准的基础上缩减了重量，这都为符合液压支架的可靠性方面提出了设计依据以及新思路。

[1] 黄自强.液压支架的技术现状及发展趋势[J].山西机械，2002(12)：45-46.

[2] 高有进.6.3 m大采高液压支架关键技术研究与应用[J].中州煤炭，2007，147(3)：6-7.

[3] 高有进.6.2 m高可靠性大采高液压支架的选型设计[J].中国煤炭，2007，33(2)：34-37.

[4] 王彪谋.高端液压支架研制与使用技术条件分析[J].煤矿开采，2008(10)：1-2.

[5] 刘洪宇.液压支架模拟强度试验方法的研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2007.

[6] 陈静，郝少祥，邵凤翔.机械可靠性优化设计的应用[J].中国煤炭，2010，36(10)：76-77，81.

[7] 王国法.掩护式液压支架参数优化设计方法的研究[J].煤炭学报，1995(S1)：27-32.

[8] 蔡毅.液压支架分析优化技术研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[9] 苟晓明.煤矿用液压支架的轻量化设计与研究[D].重庆：重庆理工大学，2014.

[10] 穆浩，胡雅琳，孙镇镇，等.基于ANSYS Workbench液压支架掩护梁的优化设计[J].煤矿机械，2014，35(11)：248-250.

[11] 王金明.液压支架强度可靠性优化设计方法研究[J].科技创新与应用，2015(16)：138.

[12] 周晓萍.液压支架结构优化与静力学分析[D].太原：太原理工大学，2013.

贵州新能源公司成功挂牌“新三板”

5月26日上午，西南能矿集团股份有限公司旗下贵州新能源开发投资股份有限公司(以下简称“贵州新能源”)成功挂牌“新三板”敲钟仪式在北京隆重举行。

贵州新能源是西南能矿集团旗下专业从事新能源开发的骨干企业，3年多来紧紧围绕国家“节约、清洁、安全”三大能源战略方针和“节能优先、绿色低碳、立足国内、创新驱动”四大能源发展战略，以西南能矿集团“生态环保型绿色能矿、科技创新型智慧能矿、资本运营型金融能矿的三型能矿”为建设目标，以公司“引领绿色矸电、打造低碳智慧校园、构建资源综合利用服务体系”为发展定位。目前，该公司已拥有核心专利技术15项，在能源塔利用、锅炉矸石燃料全代用等方面，取得了阶段性成果，基本形成了以合同能源管理模式为基础的燃煤电厂节能改造、以投资运营模式为基础的绿色能源站建设运营产业布局。

贵州新能源公司成功挂牌“新三板”，标志着公司开始登陆资本市场、整合多方资源、拓宽融资渠道，步入资本运转的快车道，公司将利用好融资与资本运作这个优势，做大做强，提升价值，为国家节能环保事业、绿色能源发展作出更大贡献。

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 责任编辑：赵奎涛

河北省教育厅课题“采煤机械智能故障诊断技术的研究及应用”(编号：ZC2016086)

董建荣(1979-)，女，河北邢台人，硕士，讲师，研究方向为机械制造及其自动化。

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1004-4051(2017)06-0161-05