基于疲劳寿命的液压支架可靠性优化设计

贾丽雯

（晋能控股装备制造集团大同机电装备有限公司中央机厂， 山西 大同 037000）

引言

液压支架作为综采工作面的必要设备，对煤炭企业安全高效生产至关重要。液压支架因其应用范围广、体积质量较大，使得设备成本高昂，在总设备投资中占比高达65%以上，因此，煤炭国家对液压支架技术的发展极为重视。液压支架因其工作环境恶劣，承受载荷较大，且不确定因素与外来载荷会不定期发生，故液压支架损坏事故的发生较为频繁，使得企业成本急剧上升，企业效益低下[1-5]。针对这一现象，本文提出了基于疲劳寿命的液压支架可靠性优化方法，以期在保证支架满足疲劳强度与应力要求的前提下进行支架可靠性优化分析，从而降低企业成本，提高企业效益。

1 液压支架受力分析及其优化

1.1 箱型结构受力分析

箱型结构是液压支架结构设计的常用结构，75%以上液压支架都选用箱型结构。箱型结构包括单腔室结构、双腔室结构、多腔室对称结构、多腔室非对称结构及多腔室局部开口结构五种。本文拟采用三腔室箱型结构进行空间力学分析，其具体空间力学分析模型如图1 所示。

图1 三腔室结构空间力学模型

假定将三腔室箱型结构固定于坐标系之中，px、py、Px、Py、Mz为三腔室结构所承受载荷，Qx、Qy、Mx、My、Mn为箱体承受载荷后所产生的内应力。在Z=0 的固定截面为最危险截面，故以该截面为主要研究对象。对该截面进行受力分析可知，在Z=0 截面上，箱体的弯曲正应力最大点在距离中心轴最远的地方，即在箱体上盖板的最上方和下腹板的最下方；箱体所受剪应力在上盖板与下腹板较小，主要分布于竖筋板；箱体所受的扭转剪力主要分布于截面周边的板元之上；等效应力主要是通过将各类受力进行叠加分析，最后可得等效应力，其具体计算公式为：

式中：σ 为等效应力，kPa；σv为正应力，kPa；τ 为扭转剪应力与弯曲剪应力的矢量和。

1.2 液压支架各部件强度分析

本文将以ZY6400/21/45 型液压支架为例进行强度分析，并对其进行相应的疲劳寿命液压支架可靠性优化设计。将ZY6400/21/45 型液压支架运用SolidWorks 软件进行三维实体建模，先将各部件进行三维建模，然后按实际的装配关系进行部件装配。液压支架三维建模完成之后，对模型进行载荷施加，试验压力为正常工作压力的1.2 倍，由相关数据查询可知，试验压力为7680 kN。完成上述步骤后，其有限元应力分析如图2 所示。

图2 液压支架承受载荷应力分析图

通过分析可知，液压支架的掩护梁处为应力最大处，其具体数值为452 MPa，接近于支架屈服极限，故应对液压支架掩护梁进行强度优化设计。

1.3 强度优化分析

掩护梁是与连杆、千斤顶、顶梁等部件相连的重要受力部件。在实际使用过程中，掩护梁受力最为复杂，使用情况最为恶劣，液压支架的损坏大多发生在该部位。通过箱体与液压支架整体的受力分析可知，由于液压支架最容易损坏处在掩护梁前端耳板处，故为改善受力情况在掩护梁竖筋板之间添加钢板，掩护梁与顶梁连接处的箱体上添加两块斜筋板，其具体结构示意图如图3 所示。

图3 掩护梁强度优化结构示意图

2 基于疲劳寿命的液压支架可靠性优化设计

2.1 参数优化

2.1.1 设计变量选取

由于ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁尺寸为已知参数，因此箱体长度、腔室长度及箱体高度不作为优化设计的研究对象。液压支架在实际工作过程中，箱体的各板均会承受相应的应力，故竖筋板、上盖板及下腹板的厚度均可影响支架所受应力以及其疲劳寿命，影响支架的强度与刚度是否符合标准。对掩护梁各板厚度进行设计分析，其设计变量选取如图4 所示。

图4 参数优化设计变量示意图

图4 中，t1、t2、t3为设计变量，表示公式为：

2.1.2 目标函数建立

液压支架的质量是影响支架制造成本及使用成本的关键因素，需在满足液压支架强度要求的前提之下尽可能减小支架质量，降低企业综合成本。故将掩护梁质量设计为质量最小，其目标函数为：

式中：ρ 为液压支架密度，kg/m3；V 为液压支架体积，m3；v 为t1，t2，t3。

2.1.3 约束条件

通过对二柱掩护式液压支架进行受力分析可知，掩护梁为液压支架受力最大点，因此其主要约束部位为掩护梁处，根据液压支架的相关通用标准，将掩护梁的疲劳寿命作为主要约束条件。

2.2 基于疲劳寿命的可靠性优化设计

由于实际作业过程中，液压支架受力复杂、环境多变，故采用有限元的方法进行液压支架的疲劳寿命可靠性优化设计。根据《煤矿用液压支架第一部分：通用技术条件》，采用内加载方式进行压力加载，其试验压力为1.05 倍的工作压力和0.25 倍的工作压力，加载周期为20000 次，疲劳曲线运用Q460 材料的疲劳曲线。掩护梁有限元分析如图5 所示。

图5 掩护梁有限元分析示意图

通过有限元分析可知，t1对应力及疲劳强度影响最小，对质量影响最大；t2程度次之；t3对应力与疲劳强度影响最大。因此，应首先对t1进行厚度减小，t2次之，t3最后进行优化。ZY6400/21/45 型液压支架初始数据为t1=25 mm、t2=25 mm、t3=25 mm，应用上述方法进行厚度优化后结果为t1=20mm、t2=20mm、t3=25mm。通过分析研究，该方案在满足应力与疲劳强度的前提下，其质量减轻了8.7%，满足成本降低、疲劳强度与应力符合要求的可靠性优化设计。

3 结论

1）液压支架的负载最大部件为掩护梁，ZY6400/21/45 型液压支架负载为452 MPa，接近于屈服极限，需对其进行强度优化。

2）采用基于疲劳寿命的液压支架可靠性优化方法，液压支架在满足疲劳强度与应力要求的前提下，质量下降了8.7%，降低了支架成产成本，提高了企业效益。