大采高綜采工作面液壓支架優(yōu)化設(shè)計

董 峰，劉向麗

（1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 101300；2.山西大同大學，山西大同 037000）

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步，我國煤炭產(chǎn)業(yè)正在快速向集約和高效方向發(fā)展。在這一趨勢下煤炭企業(yè)通過提高機械化、自動化程度來提高生產(chǎn)效率，其中大采高特別是一次采全高的生產(chǎn)方式，在提高生產(chǎn)效率的同時還能減少設(shè)備的復雜程度、優(yōu)化生產(chǎn)工藝[1]。但是，大采高生產(chǎn)工藝需要有更加可靠的機械設(shè)備為其服務(wù)，綜采液壓支架就是其最為關(guān)鍵的組成部分。綜采液壓支架主要由機械部件和液壓設(shè)備組成，負責頂板支護并為煤炭生產(chǎn)提供安全可靠的采掘空間，確保安全生產(chǎn)。通過對綜采工藝的研究可知，隨著采高的增加，液壓支架會經(jīng)受更大的考驗，在惡劣的工作環(huán)境下，由于循環(huán)載荷導致金屬疲勞，致使綜采液壓支架核心部位產(chǎn)生形變乃至斷裂[2-3]。為解決這一問題，以型號ZY12000/28/64D的綜采液壓支架為對象，通過對其工作中所承受的實際載荷進行研究，采用有限元分析法對其頂梁所受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進行分析得出應(yīng)力分布情況和薄弱環(huán)節(jié)，然后以仿真結(jié)果為依據(jù)對該型號綜采支架進行優(yōu)化，減少應(yīng)力集中情況，增加其使用壽命。

1 綜采液壓支架運行原理和技術(shù)標準

1.1 運行原理

綜采液壓支架運行流程主要為升降架以及推架和移架等[4]，主要動作的動力均由液壓泵站所供給的乳化液所提供，運行原理和結(jié)構(gòu)見圖1。綜采液壓支架通過大立柱完成升降，確保對圍巖提供足夠的承載力；移架等主要是利用底座與液壓油缸的相互配合完成的，其液壓管件和各控制閥的運行狀態(tài)不同，以此配合完成相應(yīng)動作。

圖1 綜采液壓支架運行原理及組成結(jié)構(gòu)

1.2 載荷性質(zhì)

煤炭回采過程中圍巖和液壓支架存在相互作用力，不同區(qū)域不同狀態(tài)的圍巖對液壓支架造成的載荷不同[5]，因此通過對液壓支架頂梁、底座以及掩護梁等部件承受載荷變化情況進行研究，可以分析支架所受載荷的情況。綜采液壓支架的工作環(huán)境通常較為惡劣，因此其所受載荷一般是復雜和隨機的，在對現(xiàn)場實際所受的載荷分布進行甄別，可分為對稱以及非對稱集中載荷，這些載荷都作用在綜采液壓支架的頂梁上。

1.3 技術(shù)標準

按照《液壓支架通用技術(shù)條件》《液壓支架型式試驗規(guī)范》等國家技術(shù)標準，同時收集其現(xiàn)場運行情況，主要分析綜采液壓支架所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力工況。本次有限元分析試驗要求必須符合國家技術(shù)標準，所以在模型建立時調(diào)整支架的最低高度，增加了300 mm。Y12000/28/64D 型綜采液壓支架采高在2800～6400 mm，行程3600 mm，按照相關(guān)規(guī)范進行計算得到的支架模型有限元分析試驗高度為3900 mm。

2 基于有限元的綜采液壓支架仿真分析

2.1 三維建模

ZY12000/28/64D 綜采液壓支架結(jié)構(gòu)組成相對復雜，對三維建模造成困難，同時也難以保證足夠的精確度，所以首先要簡化部分支架結(jié)構(gòu)，然后再建立三維模型，這樣可以保證仿真計算效果。

本次簡化要點有以下4 個：①高強度的焊縫并不會對整體產(chǎn)生影響，因此可以忽略不計；②刪除不影響液壓支架受力的、不起核心作用的零部件；③保留容易造成損壞的薄弱部位；④確保受力的核心承載部件的準確性。

利用三維設(shè)計軟件Pro/E 建立三維模型，設(shè)計液壓支架的各個組成部分的三維模型，包括底座、頂梁、大立柱、掩護梁等，之后將這些三維模型裝配在一起，完成液壓支架三維建模工作（圖2）。

圖2 組裝后的ZY12000/28/64D 液壓支架模型

2.2 有限元仿真建模

將建好的三維模型加載至ANSYS 軟件中，按照現(xiàn)場工況設(shè)置液壓支架的初始作業(yè)狀態(tài)。ZY12000/28/64D 綜采液壓支架制作材質(zhì)設(shè)置為Q550，彈性模量設(shè)置為2.1×105MPa，泊松比設(shè)置為0.35。利用Solid45 實體網(wǎng)格單元將綜采支架的結(jié)構(gòu)整體網(wǎng)格化，為更準確地分析應(yīng)力情況，對于重點區(qū)域的網(wǎng)格要進行細化。

2.3 有限元仿真分析

為確保有限元仿真分析結(jié)果的準確性，在頂梁中上部以正常作業(yè)狀態(tài)下的實際載荷進行加載，加載量10 000 N，可得到底座和頂梁的應(yīng)力云圖（圖3）。

圖3 底座及頂梁的仿真分析應(yīng)力云圖

由圖3a）可知，頂梁前段位置所受應(yīng)力值較大，為882.236 MPa，特別在出現(xiàn)應(yīng)力突變或過度集中時有可能出現(xiàn)破裂，對頂梁整體的安全性產(chǎn)生影響。由圖3b）可知，底座整體受到的應(yīng)力較小，但底座結(jié)構(gòu)能夠承受更大的應(yīng)力。

3 液壓支架優(yōu)化設(shè)計

（1）按照本次有限元仿真試驗結(jié)果對應(yīng)力集中的頂梁前端進行優(yōu)化。對ZY12000/28/64D 型支架頂梁前端應(yīng)力集中區(qū)易破壞的筋板開展優(yōu)化設(shè)計，將其筋板增厚、由20 mm 改為30 mm，優(yōu)化設(shè)計位置見圖4。

圖4 優(yōu)化后的頂梁結(jié)構(gòu)

（2）將頂梁應(yīng)力集中部位筋板增加后的三維模型重復進行加載和有限元仿真分析（圖5），優(yōu)化設(shè)計后頂梁所受應(yīng)力極值為691.548 MPa，比原頂梁結(jié)構(gòu)的882.236 MPa 減少190.688 MPa，因此優(yōu)化設(shè)計后液壓支架頂梁所受的應(yīng)力集中情況明顯改善。

圖5 優(yōu)化后頂梁所受應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

（1）按照相應(yīng)國家標準對ZY12000/28/64D 型液壓支架進行調(diào)整和簡化后，建立三維模型，對支架頂梁和底座開展有限元仿真分析，結(jié)果顯示頂梁前端應(yīng)力集中明顯，應(yīng)力值達到882.236 MPa。

（2）根據(jù)仿真結(jié)果，將頂梁前端應(yīng)力集中部位筋板厚度增加后，再次開展仿真試驗，試驗結(jié)果顯示優(yōu)化后頂梁應(yīng)力集中部位所受載荷減小190.688 MPa。

（3）對設(shè)備實際生產(chǎn)過程中的運行狀況進行收集，建立三維模型，利用有限元仿真分析法可確定零部件的缺陷或者薄弱地帶，通過優(yōu)化可改善設(shè)備的運行狀況。該方法可在其他易損設(shè)備推廣應(yīng)用。