關(guān)于礦用液壓支架結(jié)構(gòu)減重的設(shè)計(jì)研究

高利霞

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備同吉液壓有限公司， 山西 大同 037000）

引言

近年來，隨著對煤礦的不斷開采，礦用液壓支架作為井下作業(yè)過程中支撐保護(hù)工作面的支護(hù)設(shè)備，有效降低或防止了井下坍塌事故的發(fā)生[1]。而目前國內(nèi)液壓支架生產(chǎn)企業(yè)為滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不惜增加結(jié)構(gòu)重量，導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本增加，運(yùn)輸不方便、結(jié)構(gòu)移動(dòng)緩慢等問題[2]。因此，有必要減輕液壓支架結(jié)構(gòu)重量，開展支架的輕量化設(shè)計(jì)。

1 礦用液壓支架結(jié)構(gòu)組成

礦用液壓支架作為煤礦環(huán)境中的重要設(shè)備，對井下工作面起著重要的支撐和防護(hù)作用，其結(jié)構(gòu)主要由頂梁、底座、立柱、千斤頂、護(hù)幫裝置、前后連桿等主要部件組成[3]，如圖1所示?？蓪?shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的前后移動(dòng)，支架的升降和推動(dòng)其他設(shè)備的移動(dòng)等功能。

圖1 礦用液壓支架結(jié)構(gòu)組成示意圖

根據(jù)各主要部件的功能和作用，可將礦用液壓支架分為四部分，即：控制元件、執(zhí)行元件、承載結(jié)構(gòu)件、輔助裝置。其中，控制元件主要是由隔離閥、控制閥及多種操作閥等閥體組成；液壓支架通過操作閥指揮結(jié)構(gòu)中的其他執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)液壓支架的不同操作功能。執(zhí)行元件主要由立柱和不同規(guī)格型號的千斤頂?shù)炔考M成，其中，立柱是液壓支架的主要執(zhí)行元件。承載結(jié)構(gòu)件主要由底座、尾梁、頂梁、連桿、掩護(hù)梁等部件組成，頂梁用于承受井下頂部圍巖載荷，掩護(hù)梁用于防止井下采空區(qū)中的碎石落入工作區(qū)間內(nèi)，并承受著來自支撐周邊的載荷。輔助裝置主要由護(hù)幫裝置、推移裝置、照明等部件組成，用于實(shí)現(xiàn)井下工作環(huán)境的輔助功能。

2 液壓支架三維模型建立

根據(jù)煤礦井下環(huán)境中煤層的地質(zhì)條件、煤層厚度及采礦要求，采用Solidworks軟件建立了液壓支架的三維模型?？紤]后期液壓支架仿真的速度和難度較多，而液壓支架上非關(guān)鍵部件對仿真結(jié)果影響較小，因此，對液壓支架三維模型進(jìn)行了簡化，在不改變其整體結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，建立了包含底座、連桿、頂梁等主要部件的簡化版模型，如圖2所示。

圖2 礦用液壓支架三維模型示意圖

3 液壓支架結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化

輕量化設(shè)的種類較多，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化、制造工藝的輕量化及材料的輕量化，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化主要包括結(jié)構(gòu)形狀的輕量化[4]。因此，本文將從液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化方面進(jìn)行分析。選用Abaqus軟件，通過設(shè)置液壓支架的優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量、約束條件、優(yōu)化結(jié)果，開展了液壓支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析研究。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

由于液壓支架在實(shí)際工程中，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本滿足工程要求，但其結(jié)構(gòu)較重，本次優(yōu)化的目的是減輕結(jié)構(gòu)的重量，而在拓?fù)鋬?yōu)化過程中，不能對優(yōu)化區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行約束設(shè)置，因此，選用能反應(yīng)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的應(yīng)力作為優(yōu)化目標(biāo)，其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式（1）所示：

3.2 優(yōu)化變量

由于液壓支架特殊的工作環(huán)境，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了支架頂梁、拉桿、掩護(hù)梁等結(jié)構(gòu)為拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)化區(qū)域。在優(yōu)化過程中設(shè)置了單元的材料密度取值范圍只能在0～1內(nèi)，1表示結(jié)構(gòu)不用優(yōu)化，不用去除，0表示結(jié)構(gòu)可優(yōu)化，可去除[5]。因此，確定了變量的優(yōu)化取值范圍為：

3.3 約束條件

由于優(yōu)化目標(biāo)為液壓支架的應(yīng)力，因此，要求其應(yīng)力取值必須滿足結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度極限，由前文可知，材料的強(qiáng)度極限為660 MPa，因此，約束支架的應(yīng)力范圍需不超過660 MPa，即：

3.4 優(yōu)化結(jié)果

由于軟件不能同時(shí)分析多種工況下液壓支架的結(jié)構(gòu)，因此，選用了在頂梁偏心加載條件下的液壓支架拓?fù)鋬?yōu)化，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，開展了頂梁、掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析。

3.4.1 頂梁優(yōu)化前后對比

圖3為液壓支架中頂梁優(yōu)化前后的模型及仿真圖，由圖3-1可知，頂梁柱帽前端中間的左右兩側(cè)和柱帽后端的左右兩側(cè)的應(yīng)力集中相對較小，幾乎不受應(yīng)力，其最大應(yīng)力主要集中在頂梁的兩側(cè)立板和頂梁后端中間部分；頂梁前端雖受力較小，但考慮到整個(gè)支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，僅對頂梁中除前端外的應(yīng)力集中較小的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，去除非重要材料，形成了如圖3-2所示的優(yōu)化后頂梁模型。優(yōu)化的頂梁模型具有更合理的結(jié)構(gòu)布局，且整體結(jié)構(gòu)重量更輕，結(jié)構(gòu)用材更少，有效提高了液壓支架的結(jié)構(gòu)性能，節(jié)約了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3.4.2 掩護(hù)梁優(yōu)化前后對比

圖4為液壓支架中掩護(hù)梁優(yōu)化前后的模型及仿真圖，由圖4-1可知，掩護(hù)梁的前端及中端呈現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要分布在掩護(hù)梁中間區(qū)域，且應(yīng)力分布不均勻，而掩護(hù)梁的后端左右兩側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象更小，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的高低對掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)影響不大。因此，對掩護(hù)梁中應(yīng)力集中較小的區(qū)域進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，去除了該區(qū)域非承力部位的材料，得到了如圖4-2所示的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化后的模型圖。優(yōu)化后的掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)在滿足工程使用強(qiáng)度要求條件下具有更輕的結(jié)構(gòu)重量，且用料較少，結(jié)構(gòu)布局更加合理，有效降低了企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

圖3 頂梁拓?fù)鋬?yōu)化前后對比圖

圖4 掩護(hù)梁拓?fù)鋬?yōu)化前后對比圖

4 結(jié)論

優(yōu)化后的液壓支架頂梁和掩護(hù)梁在滿足工程實(shí)際使用強(qiáng)度條件下，結(jié)構(gòu)分布更加合理，結(jié)構(gòu)用料更少且重量更輕，有效降低企業(yè)了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，方便了產(chǎn)品的運(yùn)輸。該研究對企業(yè)開展液壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供了理論指導(dǎo)，對提高企業(yè)產(chǎn)品的競爭力和增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益具有重要意義。