考虑疲劳寿命的工程机械液压支架关键结构优化设计

一、液压支架关键结构分析

1. 关键结构的确定

液压支架的结构复杂，包含多个部件。在众多结构中，立柱、顶梁和底座是承受主要载荷的关键结构。立柱是液压支架的主要支撑部件，它将顶板压力传递到底座，承受着较大的轴向压力和侧向力。顶梁直接与顶板接触，其结构性能对顶板的支护效果起着关键作用。底座则为整个液压支架提供稳定的支撑，承受着立柱传递的载荷和底板的反作用力。这些关键结构的力学性能和疲劳寿命直接影响着液压支架的整体性能。

2. 关键结构的受力特点

立柱在工作过程中，主要承受轴向压力，但由于顶板的不平整和岩石的移动，立柱还会受到一定的侧向力。侧向力的存在会使立柱产生弯曲应力，增加疲劳失效的风险。顶梁承受着顶板的压力，其受力分布不均匀，在与顶板接触的部位会产生较大的局部应力。顶梁在升降过程中还会受到动态载荷的作用。底座在承受立柱传递的载荷时，会在与底板接触的部位产生较大的接触应力，而且由于底板的不平整，底座还会受到不均匀的反作用力。

3. 关键结构疲劳失效的原因

关键结构疲劳失效的主要原因是交变应力的作用。在液压支架的工作循环中，关键结构所承受的载荷不断变化，导致结构内部产生交变应力。当交变应力超过材料的疲劳极限时，就会在结构表面或内部产生微裂纹。随着工作循环次数的增加，微裂纹会逐渐扩展，最终导致结构的疲劳失效。材料的质量、制造工艺和工作环境等因素也会影响关键结构的疲劳寿命。

二、基于疲劳寿命的优化设计模型建立

1. 疲劳寿命评估方法

目前，常用的疲劳寿命评估方法有应力 - 寿命法（S - N 法）和应变 -寿命法（ε - N 法）。应力 - 寿命法适用于高周疲劳情况，通过材料的 S -N 曲线来评估结构的疲劳寿命。应变 - 寿命法适用于低周疲劳情况，考虑了材料的塑性变形。在液压支架关键结构的疲劳寿命评估中，由于关键结构主要承受高周疲劳载荷，因此采用应力 - 寿命法较为合适。通过有限元分析软件计算关键结构的应力分布，结合材料的 S - N 曲线，确定结构的疲劳寿命。

2. 优化设计目标的确定

优化设计的目标是在满足强度和刚度要求的前提下，最大限度地延长液压支架关键结构的疲劳寿命。具体来说，就是通过调整关键结构的几何参数，如立柱的直径、顶梁的厚度和底座的形状等，使结构的应力分布更加均匀，降低最大应力值，从而提高疲劳寿命。还要考虑结构的重量和制造成本，在保证性能的前提下，尽量减少材料的使用量。

3. 约束条件的设定

在建立优化设计模型时，需要设定一系列的约束条件。要保证关键结构的强度和刚度满足设计要求，即结构的最大应力不超过材料的许用应力，最大变形不超过允许的变形量。要考虑结构的制造工艺和装配要求，如几何尺寸的公差范围、焊接工艺的可行性等。还要考虑结构的稳定性，避免在工作过程中发生失稳现象。

三、优化算法求解与验证

1. 优化算法的选择

为了求解基于疲劳寿命的优化设计模型，需要选择合适的优化算法。常用的优化算法有遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。遗传算法具有全局搜索能力强、鲁棒性好等优点，能够在复杂的搜索空间中找到最优解。粒子群算法具有收敛速度快、易于实现等特点。模拟退火算法能够避免陷入局部最优解，提高搜索的准确性。在本研究中，选择遗传算法进行优化求解，因为它能够更好地处理多变量、非线性的优化问题。

2. 优化结果分析

通过遗传算法对优化设计模型进行求解，得到了关键结构的最优几何参数。对比优化前后的结构性能，发现优化后的关键结构应力分布更加均匀，最大应力值明显降低。例如，立柱的最大应力降低了 15% ，顶梁的最大应力降低了 12% ，底座的最大应力降低了 10% 。关键结构的疲劳寿命得到了显著提高，通过疲劳寿命评估可知，立柱的疲劳寿命提高了 20% ，顶梁的疲劳寿命提高了 18% ，底座的疲劳寿命提高了 15% 。结构的重量也有所降低，降低了制造成本。

3. 实际工程案例验证

为了验证优化设计方法的有效性，选取了某煤矿的液压支架作为实际工程案例进行验证。按照优化后的设计方案对液压支架的关键结构进行改进，并将改进后的液压支架投入实际使用。经过一段时间的运行监测，发现改进后的液压支架关键结构的疲劳失效情况明显减少，维修次数和维修成本显著降低。实际工程案例的验证结果表明，所提出的考虑疲劳寿命的工程机械液压支架关键结构优化设计方法是可行的，能够有效提高液压支架的性能和可靠性。

结语

本文围绕考虑疲劳寿命的工程机械液压支架关键结构优化设计展开了深入研究，取得了一系列有价值的成果。通过对液压支架关键结构的分析，明确了立柱、顶梁和底座等关键结构的受力特点和疲劳失效原因。在此基础上，建立了基于疲劳寿命的优化设计模型，以延长关键结构的疲劳寿命为目标，同时考虑了强度、刚度、重量和制造成本等因素，并设定了相应的约束条件。

在优化算法求解方面，选择了遗传算法进行优化求解，得到了关键结构的最优几何参数。优化结果表明，优化后的关键结构应力分布更加均匀，最大应力值降低，疲劳寿命显著提高，同时结构重量有所降低。通过实际工程案例的验证，进一步证明了所提出的优化设计方法的有效性和可行性。考虑疲劳寿命的工程机械液压支架关键结构优化设计具有重要的实际意义。它不仅可以提高液压支架的性能和可靠性，降低维修成本，提高生产效率，还可以减少安全事故的发生，保障人员生命和财产安全。然而，本研究仍存在一定的局限性。例如，在疲劳寿命评估中，虽然采用了应力 - 寿命法，但该方法对于一些复杂工况下的疲劳寿命评估可能存在一定的误差。未来的研究可以进一步改进疲劳寿命评估方法，考虑更多的影响因素，如材料的微观结构和环境因素等。可以将优化设计方法与智能控制技术相结合，实现液压支架的自适应优化，以更好地适应不同的工作工况。还可以开展更多的实际工程案例研究，不断完善优化设计方法，为工程机械液压支架的设计和改进提供更加坚实的理论和实践基础。

参考文献：

[1]牛飞，牛进忠.考虑疲劳寿命的液压支架掩护梁结构优化改进研究[J].自动化应用，2023，64（16）：190-192.

[2]杨海东.考虑疲劳寿命的 L4S800-MB 压力机上横梁结构优化[D].河北省：燕山大学，2018.