液壓支架結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

聶攀峰

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 山西 古交 030020）

引言

液壓支架為與工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)相配套的機(jī)械設(shè)備，其主要為工作面頂板實(shí)現(xiàn)支護(hù)，以保障工作面的安全生產(chǎn)。液壓支架的應(yīng)用間接提升了工作面綜采設(shè)備的機(jī)械化水平，提升了工作面的生產(chǎn)效率[1]。液壓支架在不同的工況下受力情況不同，其應(yīng)力集中位置和應(yīng)變大小也不同。實(shí)現(xiàn)液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)一步提升其支護(hù)效率，保證工作面的安全生產(chǎn)具有實(shí)際意義。本文將以液壓支架強(qiáng)度為基礎(chǔ)對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到輕量化的目的。

1 液壓支架概述

根據(jù)液壓系統(tǒng)各部件功能不同，可將其劃分為承載結(jié)構(gòu)件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助裝置以及傳動(dòng)介質(zhì)。其中：承載結(jié)構(gòu)件為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，是承受頂板來(lái)壓載荷的基礎(chǔ)；執(zhí)行元件主要指立柱和相關(guān)千斤頂，基于執(zhí)行元件可適應(yīng)工作面高度調(diào)整支架的高度和液壓支架的形態(tài)；控制元件主要指系統(tǒng)中各類閥，主要包括有安全閥和單向閥兩種，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況控制安全閥和單向閥使得液壓支架完成各種動(dòng)作；輔助裝置指液壓支架的護(hù)幫裝置、復(fù)位裝置以及擋矸裝置等；傳動(dòng)介質(zhì)為由乳化油和水按照比例配的乳化液[2]。

2 液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)必要性分析

本文所研究的液壓支架為兩柱掩護(hù)式液壓支架，具體型號(hào)為ZY120000/24/56D，每條支護(hù)的設(shè)計(jì)額定工作阻力為6×103kN。為保證液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)后其強(qiáng)度能夠保證在各個(gè)工況下的支護(hù)要求，本節(jié)基于有限元分析，提前掌握液壓支架在優(yōu)化設(shè)計(jì)前對(duì)頂梁偏心加載、頂梁扭矩加載、底座扭矩加載、底座兩端加載以及頂梁扭矩與底座兩端同時(shí)加載等工況下的應(yīng)力及應(yīng)變情況進(jìn)行分析。

1）在頂梁偏心加載工況下，液壓支架最危險(xiǎn)的位置位于掩護(hù)梁前端的豎直鋼板和凸臺(tái)和掩護(hù)梁焊接之處。但是，上述最危險(xiǎn)位置的應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)材料的許用應(yīng)力。

2）在頂梁扭矩加載工況下，液壓支架最危險(xiǎn)的位置位于頂梁前端的墊塊位置，其次危險(xiǎn)的位置位于護(hù)幫裝置的臺(tái)階處。但是，上述最危險(xiǎn)位置的應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)材料的許用應(yīng)力。

3）在底座扭矩加載工況下，液壓支架最危險(xiǎn)的位置位于底座位置，此外其他位置的應(yīng)力值均很小[3]。

4）在底座兩端加載工況下，液壓支架最危險(xiǎn)的位置同樣位于底座上，其次為掩護(hù)梁豎直的鋼板上，第三危險(xiǎn)的位置位于頂梁底部的后端。

5）在頂梁扭矩與底座兩端同時(shí)加載的工況下，液壓支架的最危險(xiǎn)位置位于頂梁位置，主要集中于頂梁前端墊塊位置；其次為底座位置具體位于其內(nèi)側(cè)豎直鋼板處；第三危險(xiǎn)的位置位于掩護(hù)梁主要集中于凸臺(tái)與掩護(hù)梁焊接的位置處。

經(jīng)綜合匯總，在上述五種工況下液壓支架關(guān)鍵部件的最大應(yīng)力值如表1 所示。

表1 液壓支架關(guān)鍵部位最大應(yīng)力值

如表1 所示，盡管液壓支架在不同工況下的最大應(yīng)力值很大但是均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力，而且在某些位置最大值很小，即該位置所選材料的強(qiáng)度過(guò)大，從而無(wú)形中增大了油液支架的重量。因此，在保證液壓支架強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上可對(duì)某些位置的鋼板厚度進(jìn)行改變或采取挖空處理的措施達(dá)到輕量化處理的目的[4]。

3 液壓支架尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于“2”中的仿真分析結(jié)果，可通過(guò)對(duì)液壓支架某些位置的結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行優(yōu)化，保證其能夠滿足液壓支架在各種工況下的強(qiáng)度要求外，使其結(jié)構(gòu)厚度為最小，從而達(dá)到液壓支架輕量化的目的。

結(jié)合仿真分析結(jié)果，對(duì)液壓支架頂梁、掩護(hù)梁、連桿以及底座等位置的結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行優(yōu)化，保證上述結(jié)構(gòu)厚度經(jīng)優(yōu)化后在各種工況下的最大應(yīng)力值不超過(guò)560 MPa。其中，頂梁結(jié)構(gòu)尺寸的范圍為30～60 mm；掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化范圍為10～20 mm；連桿結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化范圍為10～25 mm；底座結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化范圍為15～25 mm。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，液壓支架各部件的尺寸對(duì)比如表2 所示。

如表2 所示，經(jīng)對(duì)液壓支架頂梁、掩護(hù)梁、連桿以及底座等部位的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸均減小。經(jīng)核算，液壓支架關(guān)鍵部位尺寸優(yōu)化后整機(jī)質(zhì)量由3.22×104kg 減輕至3.15×104kg，總共減輕質(zhì)量約為0.07×104kg。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)有限元仿真模型進(jìn)行修改，并對(duì)其在不同工況下的最大應(yīng)力值進(jìn)行仿真，優(yōu)化前后液壓支架在不同工況下的最大應(yīng)力值對(duì)比如表3 所示。

如表3 所示，經(jīng)對(duì)液壓支架頂梁、掩護(hù)梁、連桿以及底座等結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，不僅液壓支架的總體重量減輕，而且在不同工況下液壓支架的最大應(yīng)力值也得到減小。因此，經(jīng)對(duì)液壓支架關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化后不僅提升了液壓支架的支護(hù)效率，而且提升了其可靠性[5]。

表2 液壓支架關(guān)鍵部件優(yōu)化前后尺寸對(duì)比

表3 液壓支架尺寸優(yōu)化前后最大應(yīng)力值對(duì)比

4 結(jié)論

液壓支架作為綜采工作面的關(guān)鍵綜采設(shè)備，要求其能夠在不同工況下保證支護(hù)要求。為實(shí)現(xiàn)液壓支架輕量化的要求，便于其在工作面的安裝，本文對(duì)其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，液壓支架的總質(zhì)量減輕0.07×104kg，且在不同工況下液壓支架的最大應(yīng)力值減小，大大提升了液壓支架的可靠性。