液压支架多目标优化设计分析

液压支架多目标优化设计分析

张鹏

陕西神南天翊设备制造有限公司    陕西神木   719300

摘要：在工程设计中，液压支架作为重要的支撑和调节装置，其性能优化对于提高机械系统的效率和可靠性至关重要。随着现代工程需求的日益复杂和多样化，传统的单一性能优化已经无法满足多重要求的同时实现，液压支架的多目标优化设计成为当前研究的重要方向。基于此，本文深入探讨液压支架多目标优化设计，以供参考。

关键词：液压支架；多目标优化设计；负载能力

前言：液压支架多目标优化设计，通过结合多种设计参数及其相互关系，以提高支架的综合性能为目标，同时兼顾其在不同工作条件下的适应性和稳定性。关注液压支架在承载能力、工作稳定性、环境适应性等方面的优化，并通过现代仿真与分析工具，如有限元分析和多体动力学仿真，深入探讨不同优化方案的实施效果及其在实际工程中的应用潜力。

1.负载能力优化

液压支架的负载能力优化设计需要确定其主要的设计参数和目标函数。设计参数包括支架的几何尺寸、材料性能、液压系统的参数等，而目标函数则主要包括支架的承载能力、稳定性、使用寿命等。在确定这些参数和目标函数之后，需要建立液压支架的有限元模型，通过数值模拟的方法对支架的受力情况进行分析。在建立有限元模型时，需要对支架的几何结构进行精确的建模，并对材料的力学性能进行合理的假设。通常，支架的材料可以假设为弹塑性材料，其应力－应变关系可以通过实验数据进行拟合。在此基础上，可以利用有限元软件对支架在不同工况下的受力情况进行模拟分析，得到支架的应力分布和变形情况。

在进行数值模拟的过程中，需要对支架的不同工况进行模拟，包括正常工作状态、极限载荷状态等。通过对这些工况下的应力分布和变形情况进行分析，可以得到支架的最大应力值和最大变形量。为了提高支架的负载能力，需要对支架的结构进行优化设计，使其在最大载荷下的应力分布更加均匀，最大应力值和最大变形量尽可能减小。在结构优化设计中，可以采用拓扑优化、尺寸优化和形状优化等方法。拓扑优化主要是通过改变支架的材料分布，使其在满足强度要求的前提下，材料利用率最高，从而提高支架的负载能力。尺寸优化则是通过调整支架的几何尺寸，如支柱的直径、壁厚等，使其在满足强度要求的前提下，重量最轻，从而提高支架的经济性。形状优化则是通过改变支架的外形，使其在满足强度要求的前提下，受力更加合理，从而提高支架的稳定性和使用寿命。

2.工作稳定性优化

构建液压支架模型，包括支架的几何设计参数，如高度、宽度、支撑面积等，材料特性，包括弹性模量、屈服强度等，以及液压系统参数，如液压缸的直径、行程、液压油的粘度和压强等。通过对这些参数进行合理的设置，可以为后续的仿真分析提供准确的基础数据。利用有限元分析（FEA）对液压支架模型进行仿真。有限元分析可以模拟液压支架在各种工况下的受力和变形情况，包括正常工作状态、超载状态和突发情况等。首先对液压支架的几何模型进行网格划分，生成有限元模型；然后应用边界条件和载荷条件，如地面反力、顶板压力等；最后进行静力学分析和动力学分析，计算支架的变形、应力分布和稳定性指标。比如，某型号液压支架在顶板压力为10MPa时，最大变形量为2mm，应力集中在支架的底部连接处，最大应力值为250MPa，接近材料的屈服强度，此时的工作稳定性显然不足。

为了优化液压支架的工作稳定性，可以采用拓扑优化和尺寸优化等结构优化方法。拓扑优化可以在初始设计空间内寻找最优的材料分布方式，实现结构的轻量化和高刚度。具体操作包括：设置优化目标为最大化支架的刚度，约束条件为支架的体积不超过初始设计的80%；通过优化迭代，最终得到一个材料分布合理、结构更加稳定的设计方案。尺寸优化则是在确定结构拓扑后，通过调整具体尺寸参数，如支架壁厚、支撑杆直径等，进一步提高支架的稳定性。比如，通过优化，支架壁厚从原来的10mm增加到12mm，支撑杆直径从50mm增加到55mm，有限元分析结果显示，支架的最大变形量减少到1.5mm，最大应力值下降到200MPa，工作稳定性显著提高。

在优化过程中，多目标优化算法的应用尤为关键。遗传算法（GA）是一种常用的多目标优化算法，通过模拟自然选择和遗传变异过程，寻找全局最优解。具体步骤包括：首先定义多个优化目标，如最大化工作稳定性、最小化材料成本和重量；然后编码设计变量，生成初始种群；通过选择、交叉和变异操作，逐代进化，直至满足收敛条件。以某液压支架设计为例，经过100代遗传算法优化，支架的工作稳定性提高了20%，材料成本降低了15%[1]。

优化后的设计方案需要进行实际制造和测试验证。制造过程中，严格控制加工精度和工艺参数，确保支架的实际性能符合设计要求。通过加载试验和数值模拟对比，验证优化设计的可靠性和稳定性。比如，在实验室条件下，对优化后的液压支架施加逐步增加的顶板压力，监测支架的变形和应力变化，实验结果显示，支架在顶板压力达到12MPa时仍能保持稳定工作，验证了优化设计的有效性。

3.环境适应性优化

环境适应性优化主要涉及对液压支架的设计进行调整，以适应不同的工作环境，如不同的地质条件、湿度、温度等。对于材料选择，需要考虑到矿井环境的腐蚀性和湿度条件。例如，选择具有高耐腐蚀性的材料对于延长液压支架的使用寿命至关重要。通过对不同材料在相似环境条件下的腐蚀速率进行测试，可以得出具体数据支持材料选择。假设通过实验发现，某种特殊合金钢在含有硫化物的环境中的腐蚀速率仅为常规钢材的1/4，那么这种合金钢将是制造支架的理想材料[2]。

在结构设计方面，需要通过有限元分析（FEA）评估不同地质条件下的应力分布和变形情况。例如，针对高地压环境，设计时可以增加支架的截面积，减少杆件长度，以提高其抗压能力。通过模拟分析，可以获得在特定地质条件下，支架结构的最优配置。比如，模拟结果显示，在地压为15MPa的环境下，将支架横梁的截面积增加20%，可以将应力集中度降低30%，有效提高结构的稳定性。

对于液压系统的配置，考虑到不同温度条件下液压油的粘度变化，需要选择适应温度变化范围更广的液压油，并对液压系统进行特殊设计，以保证在低温或高温环境下液压系统的正常工作。通过对液压油在不同温度下的流动性能进行测试，可以确定最适合的液压油类型和液压系统设计参数。例如，实验数据表明，某种合成液压油在-20°C至50°C的温度范围内保持良好的流动性，适合用于寒冷地区的矿井[3]。

考虑到矿井内部湿度对电气系统的影响，需要对电气系统进行防潮处理，并选择防水性能良好的电气元件。通过对电气系统在不同湿度条件下的稳定性测试，可以评估防潮措施的有效性。比如，采用IP68级别的防水接头和封装，可以确保电气系统即使在相对湿度达到100%的环境中也能正常工作。

结束语：液压支架多目标优化设计是一个复杂而具有挑战性的课题，需要不断探索和创新。未来，进一步深入研究液压支架的多目标优化设计，借助先进的仿真技术和优化算法，实现更高效、更可靠的设计方案。同时，结合智能化和自适应控制技术，将液压支架的优化设计与实际工程应用相结合，实现真正意义上的智能化支架系统。

参考文献：

[1]赵俊杰, 王克权, 张富玉. 充填液压支架后顶梁综合优化设计[J]. 矿山机械, 2024, 52 (04): 1-6.

[2]彭斯洋, 程志红, 车林仙. 基于UPS-RPU-PU并联机构的液压支架试验台多目标优化[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54 (07): 2683-2694.

[3]高永华, 谢方伟, 贺克伟. 基于自动前后调整算法的多目标液压支架优化设计[J]. 液压与气动, 2023, 47 (03): 130-137.