淺析數(shù)值仿真技術(shù)在液壓支架方面的應(yīng)用研究與展望

張放 靳予記

鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 河南省鄭州市 450000

1 引言

隨著我國(guó)工業(yè)4.0的提出，煤炭開(kāi)采作為我國(guó)重要的工業(yè)，如何在安全的前提下提高煤炭開(kāi)采效率，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展成為亟待解決的問(wèn)題。液壓支護(hù)設(shè)備作為煤炭開(kāi)采的保護(hù)傘，研究液壓支架的性能參數(shù)，提高煤炭開(kāi)采效率成為重要任務(wù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已應(yīng)用于各行各業(yè)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已應(yīng)用與液壓支護(hù)設(shè)備的研究當(dāng)中，并對(duì)液壓支架參數(shù)的修正起到重要的作用。

2 液壓支架的研究現(xiàn)狀

我國(guó)在20世紀(jì)70年的開(kāi)始研究液壓支架技術(shù)，該技術(shù)的興起促進(jìn)我國(guó)煤炭行業(yè)的迅速發(fā)展，大概10年的時(shí)間內(nèi)，液壓支架在綜采設(shè)備中已經(jīng)占據(jù)了重要的地位，為煤炭安全的開(kāi)采提供了重要的保障。90年代之后，液壓支護(hù)設(shè)備迅速發(fā)展，主要是對(duì)液壓設(shè)備參數(shù)、性能及可靠性等方面進(jìn)行研究。1991年，我國(guó)北京煤礦機(jī)械廠研制出第一套電液控制的液壓支架，在該液壓支架的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在隨后的5年內(nèi)開(kāi)發(fā)出第二代電液控制系統(tǒng)，并且在井下工業(yè)試驗(yàn)成功，驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)的性能、科技成果的巨大發(fā)現(xiàn)。從此液壓支架、采煤機(jī)、輸送機(jī)三機(jī)器聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟全面自動(dòng)化研制階段。1994年，西安礦業(yè)學(xué)院簡(jiǎn)述了液壓支架技術(shù)和CAD技術(shù)相結(jié)合的研究現(xiàn)狀，闡述液壓支架研究的理論研究、計(jì)算機(jī)繪圖在液壓支架研究做出的巨大貢獻(xiàn)，并對(duì)兩者之間的發(fā)展指出了4個(gè)方向，給未來(lái)液壓支架的研究奠定了基礎(chǔ)[1]。2007年，北京礦業(yè)大學(xué)孫文針對(duì)當(dāng)前所興起的虛擬樣機(jī)技術(shù)，提出該技術(shù)在液壓支架方面的應(yīng)用的觀點(diǎn)，并對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)在液壓支護(hù)設(shè)備的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望[2]。2011年煤炭科學(xué)研究院張志清對(duì)國(guó)內(nèi)外液壓支架試驗(yàn)臺(tái)的研究現(xiàn)狀、前景進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)和分析，為試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了重要的參考價(jià)值[3]。2017年，中原工學(xué)院劉芳對(duì)液壓支架進(jìn)行計(jì)算分析驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，并通過(guò)增加液壓管道路徑，提高了液壓支架的平移的速度大小，用AMESIM建立仿真實(shí)際工況的模型，進(jìn)一步驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性[4]。2021年，陳黎運(yùn)用AMESim軟件建立液壓控制回路模型，研究調(diào)節(jié)控制元件的參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響，證明增大排量、減小內(nèi)部壓力沖擊頻率可以提高液壓缸的平穩(wěn)性[5]。2021年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的李偉以煤礦意外坍塌事故為出發(fā)點(diǎn)，研究液壓支架橫梁的受力變化，找到受損嚴(yán)重部位，并才有數(shù)值仿真進(jìn)行模擬分析，由應(yīng)力云圖和變形云圖得到受載點(diǎn)，為液壓支架強(qiáng)度設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[6]。2022年，崔擁軍液壓葉支架的推移裝置及逆行手里狀況和工作性能分析，指出再?gòu)?fù)雜多變受力下其破壞比較嚴(yán)重，為后續(xù)液壓支架推移裝置的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持[7]。

3 數(shù)值仿真技術(shù)在液壓支架的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代開(kāi)始諸多學(xué)者和研究人員開(kāi)始將三維建模、數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用到液壓支架方面的研究，利用有限元技術(shù)完成液壓支架關(guān)鍵部位的受力分析，得出載荷作用下液壓支架的薄弱點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高液壓支架的安全性能。2008年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)臧峰提出液壓支架參數(shù)模塊化的概念，對(duì)液壓支架系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分，利用Pro/E技術(shù)研究液壓支架自動(dòng)裝配方法、相關(guān)約束，模擬完成液壓支架自動(dòng)裝配[8]。2017年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)劉希福為了研究短采工作面的安全性和生產(chǎn)效率，建立圍巖結(jié)構(gòu)模型，建立行走式液壓支架支護(hù)狀態(tài)下的動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，用Soildworks和ADAMS軟件技術(shù)建立虛擬樣機(jī)模型，基于實(shí)際工況仿真研究液壓支架的性能參數(shù)，并完善了液壓支架的控制方法，同時(shí)為液壓支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)[9]。2018年，安徽理工大學(xué)王成軍等人在三自由度基礎(chǔ)上，在實(shí)際工況下，用Workbench軟件建立液壓支架的支撐機(jī)構(gòu)的仿真模型，得到實(shí)際工況下所需要的參數(shù)，證明在三個(gè)方向上都具有很好的卸載能力，同時(shí)提高支護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定性和支撐能力[10]。2019年，安徽理工大學(xué)蘇榮海為了研究液壓支架的穩(wěn)定性和安全性，采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)解決高精密、高承載的問(wèn)題，基于理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)兩款新型的并聯(lián)液壓支架。用動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS完成并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，用有限元Workbench軟件建立圍巖的耦合模型，對(duì)其剛度、強(qiáng)度等相關(guān)可靠性參數(shù)分析，并將Solid works建立的液壓支架的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，獲得各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。后期對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成關(guān)鍵零部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了剛度和承載能力[11]。2020年，西安科技大學(xué)郭博洋建立采煤機(jī)截割、支護(hù)等三維模型，再用Stateflow進(jìn)行仿真，分析出綜采自動(dòng)化下的工藝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、成本的最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)和支護(hù)設(shè)備的最佳配合方案實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)[12]。2021年，東北大學(xué)韓晨怡為研究液壓支架頂梁強(qiáng)度特性建立液壓支架整機(jī)的三維模型，在底座設(shè)置不同的約束邊界，結(jié)果表明加載載荷的不對(duì)稱導(dǎo)致底座接觸不完全，并指出試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相接近的方法，為液壓支架應(yīng)力方面的研究提供數(shù)據(jù)支持[13]。

4 液壓支架參數(shù)優(yōu)化研究

隨著數(shù)值仿真技術(shù)在液壓支架方面的研究與應(yīng)用，煤礦機(jī)械采用聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)液壓支參數(shù)優(yōu)化研究是失分重要的，對(duì)液壓支架機(jī)械結(jié)構(gòu)、參數(shù)大小等相關(guān)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到提高煤炭開(kāi)采率，提高液壓支架的性能，提高井下煤炭開(kāi)采的安全的目的。液壓支架的主要優(yōu)化結(jié)構(gòu)有：頂梁、回撤設(shè)備、底座、伸縮護(hù)幫結(jié)構(gòu)等采用有限元仿真，得到應(yīng)力云圖，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)位置，再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得強(qiáng)度安全、工作穩(wěn)定結(jié)構(gòu)合理的液壓支護(hù)設(shè)備。

2007年，河北工程大學(xué)崔漢濤對(duì)液壓支架的結(jié)構(gòu)、形狀，研究結(jié)構(gòu)的演變技術(shù)，完成新型液壓支架的設(shè)計(jì)。用pro/e軟件完成垂直導(dǎo)桿型液壓支架整機(jī)模型的建立，以減少整機(jī)模型的重量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，使頂梁在設(shè)計(jì)中重量減少19%，采用現(xiàn)代技術(shù)完成整體的設(shè)計(jì)，給以后的液壓支架的設(shè)計(jì)提供了參數(shù)依據(jù)[14]。2008年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)劉文武為了研究高產(chǎn)高效的采煤生產(chǎn)目標(biāo)，對(duì)四連桿液壓支架進(jìn)行系統(tǒng)分析，以VB為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編輯液壓支架放頂煤的受力情況、運(yùn)動(dòng)情況，再用有限元模型完成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證，完成頂梁箱體的優(yōu)化[15]。2011年，鄭州大學(xué)姚向豫以提高經(jīng)濟(jì)效益為目的，以液壓支架為分析原型，用pro/e建立各個(gè)零部件的三維模型，完成裝配模型。完成之后利用干涉模型檢查該裝配的合理性。再將掩護(hù)梁零件導(dǎo)入到有限元中，得到其應(yīng)力、應(yīng)變模型，再建立數(shù)字優(yōu)化模型之后完成該零部件的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)液壓支架的重量減少了6%左右，設(shè)計(jì)一套現(xiàn)代的液壓支架設(shè)備[16]。2014年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)朱天龍針對(duì)液壓支架耗材多、體積大、笨重等缺陷，以掩護(hù)式液壓支架為原型，對(duì)液壓支架的關(guān)鍵零部件頂梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真。采用三維軟件SolidWorks完成液壓支架的整體模型的創(chuàng)建，運(yùn)用ANSYS完成靜力強(qiáng)度分析，找到頂梁承載力薄弱點(diǎn)，并通過(guò)添加筋厚和數(shù)量的方法解決降低頂梁的承載力力，最終使其重量減少了12%左右[17]。2016年，河北科技大學(xué)崔堅(jiān)用三維軟件設(shè)計(jì)出液壓支架三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并用經(jīng)典設(shè)計(jì)理論對(duì)四連桿型的液壓支架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大減少了液壓之間參數(shù)設(shè)計(jì)的重復(fù)性，并對(duì)液壓支護(hù)設(shè)備參數(shù)化、系列化提供了重要的依據(jù)。對(duì)礦山機(jī)械的研發(fā)提供了重要的參考價(jià)值[18]。2017年，煤炭總院龐義輝對(duì)大采高液壓支架護(hù)幫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立簡(jiǎn)化的圍巖模型，采用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)（ADAMS）進(jìn)行仿真計(jì)算，得到液壓支架千斤頂初期遇到很大的載荷，進(jìn)而采用“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)，可以有效的抑制破壞體的滑落失穩(wěn)。其護(hù)幫力的大小、可靠性均優(yōu)于先前的護(hù)幫板與伸縮梁連體結(jié)構(gòu)[19]。2018年，內(nèi)蒙古科技大學(xué)的高耀東、顏鵬賀研究關(guān)于四桿機(jī)構(gòu)的尺寸嚴(yán)重影響液壓支架的工作性能，利用有限元軟件ANSYS對(duì)液壓支架仿真，通過(guò)各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行特性分析，并針對(duì)薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，減少了液壓支架的重量，提高其本結(jié)構(gòu)的性能，并且分析結(jié)果也可以用在對(duì)液壓支架的評(píng)價(jià)方面，證明了有限元ANSYS在液壓支架方面運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和優(yōu)化方案的可行性[20]。2019年，河南工程學(xué)院劉軍對(duì)液壓支架掩護(hù)梁的可靠性進(jìn)行有限元仿真，在確保掩護(hù)梁安全的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行應(yīng)力約束，改善了掩護(hù)梁的壓力，并對(duì)其結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減少。將可靠性技術(shù)和仿真技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合，為后續(xù)液壓支架的研究提供了新的方面[21]。2020年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)劉歡為研究液壓支架抗沖擊性能，采用遺傳算法對(duì)直紋管尺寸進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一組新的直紋管尺寸，并采用有限元技術(shù)驗(yàn)證了該尺寸的直紋管尺寸的可行性[22]。2021年，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)王鑫昊對(duì)液壓支架的回撤設(shè)備整體結(jié)構(gòu)分析，針對(duì)于目前液壓支架回撤設(shè)備尺寸過(guò)大、運(yùn)輸困難等主要問(wèn)題，復(fù)雜煤層的環(huán)境下，采用Solid Works完成三維模型的建立，用ANSYS對(duì)回撤設(shè)備靜力強(qiáng)度分析，并驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的合理性[23]。

5 結(jié)論與展望

本文綜述了液壓支護(hù)設(shè)備-液壓支架的研究現(xiàn)狀、數(shù)值仿真技術(shù)在液壓支架方面的應(yīng)用以及采用聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)液壓支架重要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的研究進(jìn)行了闡述。但是液壓支架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所處的開(kāi)采環(huán)境更為復(fù)雜，目前煤炭開(kāi)采的安全問(wèn)題依舊是重要問(wèn)題，液壓支架進(jìn)行多方面的研究與改進(jìn)依舊是專家學(xué)者的研究方向，還應(yīng)對(duì)一下兩個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）液壓支架工作環(huán)境比較復(fù)雜，需要將振動(dòng)、溫度、應(yīng)力等相關(guān)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，對(duì)液壓支護(hù)設(shè)備進(jìn)行綜合分析，可以獲得準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

（2）將數(shù)值仿真技術(shù)和試驗(yàn)臺(tái)相結(jié)合，研究影響液壓支架的重要參數(shù)及結(jié)構(gòu)。才有pro/E進(jìn)行三維建模，MATLAB軟件進(jìn)行載荷的數(shù)據(jù)處理，在有限元ANSYS中進(jìn)行強(qiáng)度分析，最后利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證，使實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)更具有可靠性。