煤礦井下綜采液壓支架底座結(jié)構的優(yōu)化設計

康國俊

（西山煤電集團公司鐵路公司，山西 太原 030053）

引言

隨著煤炭綜采技術的不斷進步，煤炭綜采時的作業(yè)深度不斷增加，這就對井下綜采作業(yè)時的支護安全性提出了更高的要求。液壓支架作為井下支護的核心，其工作時的穩(wěn)定性和安全性直接關系到了煤礦井下綜采作業(yè)的安全，特別是隨著井下充填綜采作業(yè)技術的不斷應用，綜采液壓支架的應用范圍不斷加大，給煤礦井下綜采作業(yè)的安全性提出了更高的要求[1]。為了提升井下綜采作業(yè)的安全性，本文對液壓支架工作時底座受力情況進行分析，并對其進行仿真研究，針對性地提出了結(jié)構優(yōu)化措施，在滿足支護結(jié)構強度要求的情況下極大地降低了底座的重量和制造成本，有效提升了支護作業(yè)時液壓支架的支護穩(wěn)定性和收撤作業(yè)的效率，具有極大的應用推廣意義。

1 液壓支架三維模型建立及邊界條件建立

利用Creo三維建模軟件建立液壓支架整體的三維結(jié)構模型，其結(jié)構如圖1所示。

液壓支架在工作過程中受力的變化較大，作用在液壓支架上的力主要包括了垂直阻力、水平阻力及頂板圍巖作用下產(chǎn)生的力，同時還包括了圍巖變形而導致作用在底座上的力產(chǎn)生偏距，根據(jù)分析，確定在本文對液壓支架作用力進行邊界條件設置時，選擇了液壓支架井下支護作業(yè)時最危險的支護工況，即液壓支架受偏載作用時的工況[2]。液壓支架井下支護作業(yè)時其最大的工作阻力約為9 000 kN，同時根據(jù)井下實測數(shù)據(jù)，設置仿真分析時液壓支架的邊界條件控制參數(shù)如表1所示。

圖1 液壓支架三維仿真結(jié)構示意圖

表1 液壓支架仿真分析參數(shù)匯總表

2 液壓支架受力仿真分析

液壓支架在受偏載作用下底座的受力情況如圖2所示。

圖2 液壓支架底座應力（MPa）云圖

由仿真分析結(jié)果可知，當在液壓支架偏載載荷作用下，其底座的應力主要集中在液壓支架的主肋板上，高應力集中在底部和墊塊相連接的C位置處，其最大的應力約為793.55 MPa。

此工況下液壓支架底座的變形云圖如圖3所示。

圖3 液壓支架底座變形（mm）云圖

由圖3可知，此工況下液壓支架底座的最大變形量出現(xiàn)在底座的尾部墊塊端部C的位置，最大形變約為8.29 mm，在液壓支架的底座上兩個墊塊之間的主筋板之間的位置也有一定的變形量，其形變約為3.89 mm，底座上各位置的形變呈現(xiàn)了逐漸增加的趨勢。

3 液壓支架底座結(jié)構優(yōu)化方案

由于液壓支架的底座主要是由上蓋板、下蓋板以及各種加強筋構成的一種箱膽式結(jié)構，因此將液壓支架底座的主筋板作為設計變量，將液壓支架的底座變形量、最大應力以及液壓支架的底座作為目標變量[3]，如表2所示。

表2 液壓支架底座目標優(yōu)化參數(shù)

在進行優(yōu)化設計時，采用目標驅(qū)動優(yōu)化的方案，以目標函數(shù)為基礎，通過改變設計變量來獲取不同情況下目標函數(shù)的對應數(shù)值，然后從中選擇最佳的目標變量，并獲取此時的設計變量作為底座優(yōu)化設計的基礎。

通過對液壓支架底座上各設計變量對目標參數(shù)變化情況影響的敏感度的分析，可知液壓支架底座的應力、應變以及質(zhì)量對于地質(zhì)的主筋板厚度以及底座底板的厚度的影響最為敏感，因此根據(jù)液壓支架的支護可靠性研究[4]，應以降低液壓支架底座支護時的最大應力為優(yōu)先目標，然后分別降低底座的重量，減少底座的變形，按此設定自動優(yōu)化分析后系統(tǒng)自動生成滿足設計要求的樣本參數(shù)。優(yōu)化后的底座結(jié)構參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化后底座結(jié)構參數(shù)對比

優(yōu)化后的液壓支架底座的應力分布如圖4所示，其應變分布如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后液壓支架底座的應力（MPa）云圖

圖5 優(yōu)化后液壓支架底座的變形（mm）云圖

由分析結(jié)果可知，優(yōu)化后液壓支架底座的最大應力約為575.92 MPa，比優(yōu)化前降低了約27.42%，其最大應變由優(yōu)化前的8.92 mm降低到了優(yōu)化后的1.31 mm，降低了約85.3%，液壓支架底座的質(zhì)量由最初的5 024.3 kg降低到了目前的4 967.62 kg，降低了約1.2%，由此利用仿真分析的方法對該液壓支架底座結(jié)構的全面優(yōu)化達到了優(yōu)化目的。

4 結(jié)論

為了提高液壓支架在井下支護作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，降低液壓支架底座的受力變形、傾倒等，提升液壓支架的支護穩(wěn)定性，本文利用仿真分析軟件對液壓支架底座進行了優(yōu)化設計，結(jié)果表明：

1）當在液壓支架偏載載荷作用下，其底座的應力主要集中在液壓支架的主肋板上，高應力集中在底部和墊塊相連接的位置處，極易導致液壓支架底座的受力開裂；

2）優(yōu)化后液壓支架底座的最大應力比優(yōu)化前降低了約27.42%，其最大應變降低了約85.3%，液壓支架底座的重量降低了約1.2%，全面提升了液壓支架底座的整體性能；

3）利用仿真分析加優(yōu)化設計的方案能夠有效地對液壓支架結(jié)構進行優(yōu)化，提升其工作時的穩(wěn)定性和可靠性。