基于AHP-模糊模型的液压支架试验台中梁销轴节点优化研究.pdf
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1、基于 AHP-模糊模型的液压支架试验台中梁销轴节点优化研究王洁1,2,赵显昆1,姜彪3,张建卓1,郭昊1(1.辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新123000;2.重庆文理学院智能制造工程学院,重庆402160;3.山东兖矿智能制造有限公司,山东邹城273500)摘要:大吨位液压支架试验台加载试验中梁销轴节点端部孔壁区域峰值载荷过大,为改善销轴变形导致应力作用范围非连续性的状况,基于赫兹接触理论建立试验台销轴节点变形后峰值接触应力的数学理论模型,利用 ANSYS 软件对销轴节点模型仿真分析并与理论模型进行比对。结果表明:模拟结果与理论数据具有良好的一致性。结合实际工程现场应用,确定了降低销轴
2、节点孔壁接触区域应力峰值的 5 个主要指标,即:轴孔缝隙、轴套管厚度、节点板厚、倒角长度、倒角角度,运用 Minit-ab 软件对 3 个评价指标:应力、切应力和应变建立主效应云图;根据模糊数学理论建立 3 个评价指标的隶属度函数,利用层次分析法(AHP)确定评价指标的权重向量,结合模糊综合评价和最大隶属度原则得到 5 个主要指标的最优解参数组合,并对该参数组合进行模拟。结果表明:优化后的销轴节点立柱峰值应力降比 58.77%,耳板节点峰值应力降比 12%。最优解参数组合在 50MN 液压支架试验台的设计研发中得到了现场应用,验证了该优化参数的合理性,有效提升液压支架试验台加载试验时中梁销轴的
3、使用寿命。进而证明:通过对销轴节点增设斜坡倒角,设置合理的初始间隙以及板材厚度,能够很大程度上减少销轴节点峰值载荷,并改善应力作用范围长度,为重型设备插拔定位销轴组件设计的实际工程应用提供了参考。关键词:液压支架;销轴节点;赫兹接触理论;模糊数学;层次分析法;最大隶属度原则中图分类号:TD35文献标志码:A文章编号:02532336(2023)08025010Research on middle beam pin shaft node of hydraulic support testbench based on AHP-Fuzzy analysis modelWANGJie1,2,ZHAOX
4、iankun1,JIANGBiao3,ZHANGJianzhuo1,GUOHao1(1.School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.School of Mechanical Engineering,Chongqing University of Arts and Sciences,Chongqing 402160,China;3.Shandong Yankuang Intelligent Manufactur-ing Co.,Ltd.,Zoucheng 273500
5、,China)Abstract:Inordertoimprovethesituationofdiscontinuityintherangeofstressescausedbypindeformation,themathematicaltheoretic-almodelofpeakcontactstressesafterpinnodedeformationinthetestrigwasestablishedbasedontheHertziancontacttheory,andthepinnodemodelwassimulatedandanalysedusingANSYSsoftwareandco
6、mparedwiththetheoreticalmodel.Theresultsshowthatthesimulationresultsareingoodagreementwiththetheoreticaldata.Combinedwiththeactualengineeringfieldapplication,fivemainindic-atorsforreducingthepeakstressinthecontactareaofthepinnodeholewallweredetermined,namely:shaftholegap,shaftcasingthick-ness,nodepl
7、atethickness,chamferlength,chamferangle,andtheuseofMinitabsoftwaretoestablishthemaineffectclouddiagramforthethreeevaluationindicators:stress,tangentialstressandstrain;establishtheaffiliationfunctionofthethreeevaluationindicatorsaccord-ingtothefuzzymathematicaltheory,andusethehierarchicalAnalysisofHi
8、erarchy(AHP)wasusedtodeterminetheweightvectoroftheevaluationindexes,andtheoptimalcombinationofparametersforthefivemainindexeswasobtainedbycombiningfuzzycomprehensive收稿日期:20220718责任编辑:周子博DOI:10.13199/ki.cst.2022-1145基金项目:国家自然科学基金联合基金资助项目(U1908222);辽宁省博士科研启动基金计划资助项目(2020-BS-254)作者简介:王洁(1981),女,内蒙古乌兰浩特
9、人,副教授,硕士生导师,博士。E-mail:sunny_第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023王洁,赵显昆,姜彪,等.基于 AHP-模糊模型的液压支架试验台中梁销轴节点优化研究J.煤炭科学技术,2023,51(8):250259.WANGJie,ZHAOXiankun,JIANGBiao,et al.ResearchonmiddlebeampinshaftnodeofhydraulicsupporttestbenchbasedonAHP-FuzzyanalysismodelJ.CoalScienceandTe
10、chnology,2023,51(8):250259.250evaluationandtheprincipleofmaximumsubordination,andthecombinationofparameterswassimulated.Theresultsshowthattheop-timizedpinnodecolumnpeakstressreductionratiois58.77%,andthepeakstressreductionratioofthetrunnionnodeis12%.Theoptim-alcombinationofsolutionparameterswasappli
11、edinthefieldinthedesignanddevelopmentofthe50MNhydraulicsupportteststand,whichverifiedthereasonablenessoftheoptimisedparametersandeffectivelyimprovedtheservicelifeofthecentrebeampinduringtheloadingtestofthehydraulicsupportteststand.Itwasfurtherdemonstratedthatbyaddingslopechamferstothepinnodes,settin
12、greason-ableinitialclearancesandplatethicknesses,thepeakpinnodeloadscouldbereducedtoalargeextentandthelengthofthestressrangeimproved,providingareferenceforthepracticalengineeringapplicationofthedesignofplug-inandplug-outpositioningpinassembliesforheavyequipment.Key words:hydraulicsupport;pinshaftnod
13、e;Hertzcontacttheory;fuzzymathematics;AHP-method;principleofmaximumaffiliation0引言销轴是机械设备连接中常用的单向铰接件,在大型、重型设备中,销轴的设计尺寸大,承载力高,其力学性能直接影响整机的稳定性和可靠性1-3,国内外针对设备的销轴设计均制定了严格的标准4-7。而液压支架试验台对液压支架整机的受力状况、强度和安全性能等参数提供测定手段,是液压支架结构的可靠性和井下作业安全性的重要保证8-10。在对液压支架进行强度和疲劳寿命试验时,首先支架顶梁所受到的外力作用于移动中梁上,再通过 4 根销轴将加载力传递到液压支架试
14、验台的 4 根承载立柱上,承载立柱与底梁相连。在试验台对液压支架进行内、外加载试验中,特别是进行偏载、扭转加载试验中,销轴受力更加恶劣,销轴受力后出现挠曲变形,进而在轴套管的端部出现挤压变形,造成局部区域的应力集中现象。在现场调研中发现,中梁销轴在加载试验出现严重变形、断裂等恶劣情况的发生,容易造成安全事故,因此,重型设备开发过程中销轴的应力分析成为设计的关键环节。国内外学者围绕销轴节点开展了大量研究:李渊等11探讨了销孔间隙、耳板厚度和耳板间距 3 个参数对节点疲劳性能的影响,研究显示销孔间隙对疲劳性能的影响最大,耳板间距次之,耳板厚度的影响最小。王学文等12建立了多销轴约束模型,分析了不同
15、位置销轴对液压支架稳定性的影响,分析表明立柱与底座的销轴对支架的横向稳定性影响最大。姚廷强等13基于多体动力学和刚体有限元方法,提出三维圆柱铰间隙碰撞和动力学特性的接触动力学方法,建立等效刚体单元与梁单元有限元模型,提出统一形式的动力学方程。杨朝飞等14研究了35CrMnSi销轴的淬火热处理对其尺寸变化的影响,研究结果为销轴的尺寸设计及加工工艺设计提供指导。张泽宇等15采用试验研究的方法分析了销轴连接的铸钢件的力学性能,给出承载力理论计算公式的中设计强度系数取值为 1.2 的建议。李仕华等16基于接触分离模型推导出含间隙铰的多体动力学方程,并通过 ADAMS 软件对其动力学特性进行了仿真分析,
16、分析表明重力的释放对销轴运动副的多项指标有较大影响。ANTONI17对带套管的销轴节点进行非线性分析,验证受力方向、初始间隙和摩擦力对销轴节点接触应力的影响。高啸等18将接触刚度矩阵和赫兹接触理论相结合,考虑销轴节点接触突变的特性,推导出接触应力求解方程。研究围绕一种垂直加载载荷为 50MN 的液压支架试验台的中梁销轴开展研究。研究销轴受力时,为了应对销轴变形导致的应力作用范围非连续性问题,基于赫兹接触理论对立柱和耳板节点进行优化;探究销轴系统的不同参数对连接节点应力、应变的影响,并对其进行了优化;对优化后的参数模型进行有限元分析,分析结果证明了优化方案的可行性。本研究为重型设备的销轴连接工程
17、设计和实际应用提供参考。1液压支架试验台中梁销轴赫兹接触理论1.1液压支架试验台中梁销轴节点研究设计了世界首台承压达到 50MN 的液压支架整机试验台,液压支架试验台销轴节点如图 1 所示。试验台加载前需要将中梁移动到液压支架顶梁的上方,通过销轴将中梁与支架试验台的立柱固定,根据国家标准对掩护式支架进行结构件强度测验,销轴推销油缸立柱耳板图1液压支架试验台销轴节点Fig.1Pinshaftnodeofhydraulicsupporttestbench王洁等:基于 AHP-模糊模型的液压支架试验台中梁销轴节点优化研究2023年第8期251并按 1.2 倍额定工作压力加载试验,试验过程中载荷通过液
18、压支架传递至中梁,中梁带动销轴与立柱中的套管克服初始间隙后紧密接触相互挤压。故中梁销轴沿轴线向上方向产生挠曲变形,这导致销轴与立柱端部孔壁接触区域出现应力集中,易使销轴连接节点破坏19。1.2赫兹接触理论销轴连接节点简图中各构件参数的几何参数如图 2a 所示,其中 t 为立柱的厚度,t0为耳板的厚度,s 为耳板与立柱之间的间隙,d 为销轴的直径,d0为耳板销孔的直径。耳板与立柱的受力情况如图 2b 所示。dd0tt0t0ssN0.5 N0.5 N(a)参数示意(b)受力分析示意图2销轴连接节点简图及受力分析Fig.2Schematicandstressanalysisofpinconnecti
19、onnode采用赫兹接触理论对液压支架试验台中梁销轴节点进行接触分析。赫兹接触理论主要研究两物体因外部荷载相互挤压而产生接触应力的分布规律20-21。销轴与耳板、立柱轴套管之间的接触可视为赫兹接触理论中的两圆柱体接触,是典型的线接触问题。接触体承受法向荷载后在接触线附近产生变形,形成矩形接触面,根据赫兹理论推导出接触面的最大接触压应力为p0=0.418 2pE(R1+R2)R1R2(1)式中:p0为最大接触压应力,MPa;p 为均布压力,MPa;E 为弹性模量;R1、R2为销轴和耳板开孔的曲率半径,mm;实际工程中,销轴与轴套管之间的接触面并非光滑,销轴可能发生转动并产生滑动摩擦;其次二者的曲
20、率接近,初始间隙较小,导致实际的接触区域比线性接触区域大;实际的接触面积与接触应力的分布范围长度会随着外载荷的增大而减小,应力会呈现端部大中间小的不均匀分布;因此销轴与立柱、耳板轴套管之间的接触并不满足赫兹接触理论的一般性假设。为了解决该问题,张滨等22提出了一种基于赫兹接触理论的销轴局部接触应力峰值的修正计算公式。本文采用该应力修正计算公式,即:pr=p0(2)式中:pr为修正后的接触压应力,MPa;为摩擦修正系数,取 1.02;为接触应力修正系数;为结构安全系数,取 1.05。根据销轴与耳板和立柱之间变形后接触应力分布的差异性,分别对立柱和耳板的峰值接触应力修正系数 1和 2进行计算。1=
21、k11+9.951+3.4721+1.452238.541+8.662(3)k1=0.79b1d+7.04(b1d)0.56(4)2=k21.02+24.571.21+0.7122100.271+5.430.242(5)k2=4.47+3.24b2d+0.28(b2d)2(6)1=s/t 2=t0/tb/d式中:;b1、b2分别为立柱和耳板的孔截面半宽,当大于 1.2 时,取 1.2。2销轴连接节点有限元分析根据液压支架试验台中销轴连接节点的参数,利用 ANSYS 软件建立实体单元有限元模型,如图 3销轴立柱右耳板左耳板提升力提升力XZY图3销轴连接有限元模型Fig.3Finiteelemen
22、tmodelofpinconnection2023年第8期煤炭科学技术第51卷252=所示。销轴节点由左、右耳板,立柱和销轴组成,根据图 2a 中销轴连接节点图中,各参数设置如下:t=900mm,t0=630mm,s=20mm,d=380mm,d0=385mm。耳板的提升力为 12.5MN,各个构件的材料属性见表 1。分析时销轴与耳板和立柱之间的接触设置为面面接触;接触方式设置为摩擦,摩擦因数0.2;提升力以均布力的形式作用于左、右耳板;同时赋予耳板与提升力方向一致的自由度模拟实际的提升状态;中间立柱的边界条件根据实际工作情况设置为固定约束。立柱以及右耳板的接触应力的三维示意如图 4b、4c
23、所示。图中立柱节点的坐标原点为立柱左侧端面与销轴轴线交点处;右耳板的坐标原点为右耳板左侧端面与销轴轴线的交点处。x 表示沿销轴径向方向,应力点到立柱左侧端面和右耳板左侧端面的距离;立柱和右耳板三维应力接触云图中两个坐标系共用 x 轴,x 轴与销轴轴线重合。法面角 为销轴剖面上各接触点的切面的外法线与竖直方向的夹角,且外法线必过轴剖面的圆心,如图 4a 所示,当=0时,外法线方向竖直向上,顺时针为正。表 1 销轴、耳板、立柱材料属性Table 1 Material attribute of pin shaft,ear plate and column节点材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断面伸
24、长率/%断面收缩率/%耳板、立柱Q550D7505501639销轴35CrMnSiA190015441147由立柱和耳板的三维接触应力图可知,销轴与立柱、耳板间的局部接触应力峰值产生在与立柱、耳板的端部孔壁接触区域。同时,由于销轴产生弯曲变形,销轴与耳板、立柱之间的轴向的接触边界不连续,导致立柱与耳板应力分布沿 x 方向分布形状相异,立柱呈现两端大中间小的“U”型对称分布;耳板则为沿着 x 方向呈现增加、减小,随后增加、减小的“M”型应力分布。表 2 列出了限元分析与理论分析结果及误差,立柱与耳板的峰值载荷与公式计算数值的误差较小,有限元分析设置的参数基本可靠的。表 2 销轴节点有限元分析与理
25、论分析数值对比Table 2 Numerical comparison between finite element ana-lysis and theoretical analysis of table pin joint节点Ps/MPaPr/MPae/%立柱753.55747.5230.81耳板242.49239.5121.2注:Ps为有限元仿真分析中节点接触应力峰值;Pr为式(2)计算结果;e为相对误差。3基于 AHP-模糊模型的优化分析销轴节点应力集中区域为孔壁接触区域,实际工程应用中,通过在孔壁区域增设倒角来降低应力,但倒角参数角度、长度 L 的取值以及对应力幅值的影响目前并未有相关
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