礦井液壓支架底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王銳兵

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046699）

引言

礦井液壓支架是綜采工作面的安全生產(chǎn)設(shè)備。液壓支架通過自身的結(jié)構(gòu)作用力，保障一線作業(yè)人員有足夠安全的作業(yè)空間。通過支撐上部圍巖的重量，確保煤炭開采能夠順利進(jìn)行。液壓支架通過液壓缸內(nèi)高壓油液對各個承載部件進(jìn)行伸縮，根據(jù)工作面的地質(zhì)形狀改變支撐位置，關(guān)系到整個開采過程的生產(chǎn)安全。面對惡劣的礦井環(huán)境，液壓支架的升柱、降柱都受到了較大的沖擊載荷以及振動力作用。尤其是液壓支架的底座是承載上部載荷的關(guān)鍵部件，底座的抗沖擊性能關(guān)系到液壓支架的安全性[1]。由于地質(zhì)情況的變化，底座發(fā)生受扭破壞的情況較多，在設(shè)計(jì)時所選用的安全系數(shù)較低，容易使得支架發(fā)生傾倒。因此，應(yīng)提升液壓支架底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并且實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)。

1 ZF3880/20/30型液壓支架簡介

ZF3880/20/30型液壓支架主要應(yīng)用于中薄煤層，其組成構(gòu)件包括頂梁、底座、立柱、尾梁等關(guān)鍵部件。單個液壓支架的質(zhì)量為11.54 t。在綜采工作面中，對礦井惡劣作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，尤其在坡度小于10°傾斜煤層中能充分發(fā)揮出工作性能[2]。該型號液壓支架可沿底板一次性放頂煤作業(yè)，在緊急或特殊環(huán)境中也可用急傾斜特厚煤層，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的分層放頂煤開采。主要的性能特點(diǎn)為縱橫向穩(wěn)定性好、支護(hù)能力較強(qiáng)、作業(yè)靈活性較高、對頂板適應(yīng)性強(qiáng)[3]。

2 液壓支架底座仿真模型的建立

2.1 工具軟件的連接

為了確保ZF3880/20/30型液壓支架仿真計(jì)算有良好的兼容性，采用Pro/E三維建模軟件與ANSYS Workbench仿真軟件相結(jié)合，通過CAD/CAE的通訊接口實(shí)現(xiàn)仿真協(xié)同環(huán)境的建立。利用Pro/E在三維建模方面的專業(yè)性以及ANSYS Workbench強(qiáng)大的仿真計(jì)算及優(yōu)化模塊，對液壓支架底座進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2 液壓支架底座三維模型建立

采用Pro/E軟件建立液壓支架底座時，有必要對結(jié)構(gòu)的零碎構(gòu)件進(jìn)行去除，適當(dāng)進(jìn)行簡化處理，提高仿真計(jì)算的效率并且避免網(wǎng)格畸形。簡化位置主要包括倒角、圓角、小孔等對整體受力影響不大的部位。作出適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，將焊接部位看作是整體結(jié)構(gòu)的一部分。按照ZF3880/20/30型液壓支架底座1∶1的大小建立起底座三維模型，如圖1所示。

圖1 液壓支架底座三維模型示意圖

2.3 液壓支架底座仿真網(wǎng)格模型

首先應(yīng)該對液壓支架的底座材料進(jìn)行設(shè)定，設(shè)置整體材料為Q550高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具體參數(shù)：彈性模量為2.06e+5 MPa、波松比為0.28、屈服強(qiáng)度為550 MPa、抗拉強(qiáng)度為630、伸長率為>16%[4]。為了提高液壓支架底座的計(jì)算精度，采用8節(jié)點(diǎn)6面體網(wǎng)格單元，對底板耳板、柱窩容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位，將網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化。網(wǎng)格單元數(shù)目為647 188節(jié)點(diǎn)，數(shù)目為1 046 578，如下頁圖2所示。

圖2 液壓支架底座網(wǎng)格模型圖

其次設(shè)置液壓支架底座的邊界條件，將底座下部的大地模型設(shè)置為無反射邊界，將底座三個方向X、Y、Z進(jìn)行位移約束[5]。由于底座受到的液壓作用力為動載荷形式，考慮到底座極限受力情況，采用最大靜態(tài)力的分析方法，施加靜態(tài)作用力大小為動載力的1.5倍，作用力大小為8 320 kN，底座每個柱窩處的大小為2 080 kN。

3 液壓支架底座仿真計(jì)算結(jié)果

由于液壓支架底座受到兩端的集中載荷，通過米塞斯應(yīng)力分布云圖可得出底座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值范圍。由圖3可知，底座的應(yīng)力最大值為93.46 MPa，在底座材料的安全強(qiáng)度范圍。在底座的耳板、柱窩、墊塊的部位應(yīng)力較為集中。可以得出連接底座，兩塊肋板之間的過橋構(gòu)件，雖然過橋部件中段應(yīng)力值較小，但是與肋板連接處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易發(fā)生開裂[6]。此處可適當(dāng)設(shè)計(jì)為圓角結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。從仿真計(jì)算結(jié)果分析，在滿足底座材料強(qiáng)度安全的情況下，可減輕底座整體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

圖3 優(yōu)化前液壓支架底座應(yīng)力（Pa）云圖

4 液壓支架底座優(yōu)化設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果對比

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

利用ANSYS Workbench仿真軟件中的優(yōu)化模塊，將底座的柱窩高度、耳板厚度、墊塊寬度等三個參數(shù)設(shè)置為優(yōu)化變量。以材料屈服強(qiáng)度為設(shè)計(jì)限值，設(shè)置柱窩高度變化范圍為315~385 mm、耳板厚度變化范圍為54~66 mm、墊塊寬度變化范圍為144~176 mm。現(xiàn)有液壓支架底座質(zhì)量為16.09 t，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，實(shí)現(xiàn)支架底座重量的下降。

4.2 優(yōu)化參數(shù)的確定

Workbench仿真軟件的優(yōu)化模塊中，采用插值的計(jì)算方式，將柱窩高度、耳板厚度、墊塊寬度三個參數(shù)進(jìn)行正交計(jì)算優(yōu)選，并且以結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和重量為目標(biāo)，開展三個參數(shù)的靈敏性分析得出，底座的柱窩高度對整體質(zhì)量起決定性作用，而另外兩個變量-墊塊寬度與耳板厚度對底座的質(zhì)量影響效果不明顯，即底座質(zhì)量對柱窩高度變化最為敏感。同時將結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)列為優(yōu)先級，優(yōu)化后的最大等效應(yīng)力數(shù)值的1.5倍不得大于Q550材料的屈服強(qiáng)度，保證底座結(jié)構(gòu)的安全，整體質(zhì)量保持在12 943 kg，并且發(fā)生了35.89 mm的位移。經(jīng)過計(jì)算，柱窩高度優(yōu)化為324.44 mm、耳板厚度優(yōu)化為54.066 mm、墊塊寬度優(yōu)化為145.04 mm。按照初始條件，重新建立起底座的仿真網(wǎng)格模型，對優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。

4.3 優(yōu)化前后對比分析

圖4為優(yōu)化后底座等效應(yīng)力云圖，由優(yōu)化結(jié)果可知：

圖4 優(yōu)化后底座應(yīng)力（Pa）云圖

1）最大等效應(yīng)力有了明顯的提高，但依舊出現(xiàn)在與墊塊接觸位置，因?yàn)檫@個位置是固接引起的應(yīng)力集中區(qū)域，可以直接忽略；

2）優(yōu)化后雖然應(yīng)力有所增大，不過尚未達(dá)到本次優(yōu)化所用材料Q550的屈服強(qiáng)度，與之前對比應(yīng)力分布更為均勻，以靜力學(xué)為理論依據(jù)，可以判斷出本次優(yōu)化是可行的；

3）底座變形雖有所提高，但仍滿足其剛度需求；

4）經(jīng)過優(yōu)化，底座的質(zhì)量減少了3 142 kg，從16 085 kg降低到12 943 kg，同時滿足了強(qiáng)度和剛度的要求，制造成本降低了19.54%左右，對底座的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了調(diào)整。因此，本次優(yōu)化結(jié)果實(shí)現(xiàn)了降低成本的優(yōu)化目的。

5 結(jié)語

為了提升液壓支架在礦井綜采工作面的結(jié)構(gòu)可靠性和使用壽命，對其關(guān)鍵部件——底座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過對底座關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得整體結(jié)構(gòu)的作用力分布更加均勻，減小了應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且在滿足材料強(qiáng)度安全范圍的情況下，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)，提高了液壓支架制造廠商的經(jīng)濟(jì)效益。