礦井液壓支架結構靜力分析及有限元優化設計

郭彥軍

（山西陽煤集團碾溝煤業有限公司， 山西 清徐 030400）

引言

20世紀70年代，液壓支架在我國屬于發展時期，處于學習液壓支持的階段；在70年代、80年代初，我國大規模引進國外先進的液壓支架，處于吸收和消化階段；直到90年代中期，獨立研究液壓支架在我國開始迅速發展。隨著我國的經濟發展，煤炭資源和煤炭生產的需求大大增加，已經用盡了煤層角度較小且易開采的煤層，對于更大的傾斜角度，開采量正逐漸增加，液壓支架的穩定建立也成為一大難題。大傾角采礦面臨傾倒的危險，液壓支架的穩定性是安全工作的基礎。本文以ZZ10800/22/45薄基巖液壓支架頂梁為例，根據有限元法和結構設計理論與有限元分析計算結果，開發了優化的數學模型和頂部液壓支架同時，根據GDO計算梁提出輕量化設計。

1 液壓支架三維參數化模型的建立

液壓支架是地下工程或隧道工程的重要設施之一，用于支撐頂部巖石，防止頂部巖石崩塌。它可以提供一個安全的設備和施工人員工作空間。近年來，一些國家正在研究薄煤層淺埋煤層含水層基巖的安全開采，但結果主要集中在減少防水支柱，而很少有研究薄基巖液壓支架的改進和優化。因此，研究開發新型液壓支架是必要的，對于提高煤礦的安全生產和經濟效益有很大幫助。

液壓支架頂梁由三維參數化模型通過使用建立ANSYSWorkbench的三維參數化模塊DM得到。在模型建立過程中，一些不重要的部分被簡化了，不會影響強度分析結果，這種簡化符合工程實踐。簡化后的液壓支架頂梁的三維參數化模型，如圖1所示。

2 材料屬性，限制和負載設置

充分尊重ZZ10800/22/45液壓支架的焊接結構，大部分零件選用Q550鋼板為材料，部分采用Q235鋼板和Q690等。Q550鋼板彈性比為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，銷軸材料為40Cr。

圖1 液壓支架頂梁的三維參數化模型

在計算過程中，將砌塊鋪設在不同的液壓支架上，來模擬不同承載工況下的井況。產生的力量通過對液壓支架的阻塞作為限制條件，通常在有限元中處理分析。頂梁及母板兩側各放置兩塊結束加載工作狀態。因此，四根支柱施加在頂梁和基座上。根據規定，液壓支架強度試驗的載荷施加方式在負荷消耗模式里面。所以，這些荷載是由四根支柱施加在頂梁和基礎上的，值為液壓支架原型的工作阻力的1.2倍。

3 靜力學及優化分析

3.1 靜力學分析

靜力分析主要用于分析結構和機械零件在靜態負載下的響應。這是有限元分析（FEA）中最基本的方法，首先對頂梁兩端液壓支架進行了典型負載工作條件的總體強度有限元分析。相關總位移和等效應力分布規則可以找到。有關總位移分布規律和等效應力分布規則如下頁圖2所示。

圖2中（2-1）顯示頂梁和側板斜面兩端的應力值為最高達到377.24 MPa，低于材料屈服極限。雖然壓力比較大，但是由于頂梁的變形而產生集中其他部位的應力值遠遠小于材料屈服應力，所以，液壓支架可以滿足使用需求。

圖2 液壓支架頂梁的三維參數化模型

圖2中（2-2）顯示最大位移位于頂梁中部，其值為2.607 4 mm。位移從頂梁中間減少到頂梁端。頂梁上相對殘余變形不到0.4%，所以液壓支架可以滿足使用需求。

此外，根據實際工作經驗，通過靜力學分析找出了確定液壓支架的下降和傾倒的原因，并考慮安全因素，以此提出液壓支架的防滑傾倒措施有以下幾點：

1）防滑千斤頂的設置，當其中一個托架位于托架底座之間時，設置防滑千斤頂發生下降，以支撐壓力為支點的支架，滑動千斤頂伸向控制支架的穩定性，防止支架下降的同時，防止傾銷。

2）摩擦因子的增加，在升降過程中，基巖與巖石之間的摩擦沿著斜坡平衡重力的分力。工作壓力和重力不能調節，因此增加摩擦系數有助于增加摩擦力防止支架下降。

3）確保支架對屋頂的支撐力，同時，減少支架重量。在靜態分析中，我們可以知道下降與下降分力的作用有關，所以保證支架的支撐能力的同時，降低框架自重力，有助于減少框架倒下防止支架下降。

4）工作面布置成傾斜狀態，是液壓支架下傾的主要原因，所以斜工作面在大角度狀態下減少傾角很具實用性，也對防止支架失效具有重要意義。

3.2 優化分析

目標驅動優化是一組樣本中的多目標優化技術（一定數量的設計點以獲得最佳設計點）。本文選擇top托盤厚度（Extr1.FD1），塔頂蓋板厚度（Extr2.FD1），頂梁之間板厚（Extr26.FD1），腹板厚度（Extr29.FD1）等，所以有總共8個設計變量。本文的目的是通過體積優化結構質量優化結構方法，質量考慮作為目標函數。通過ANSYS Workbench分析，生成了三個最佳候選設計點。其中一點為最佳設計，頂梁已達到輕質目標，不會損失結構強度。

3.3 優化結果檢查

為了驗證有限元分析的可靠性。使用ANSYS Workbench軟件對優化的（圓度）頂梁進行靜態分析。

圖3顯示在頂梁優化后，最大等效應力為略優于優化前，其他部位的應力值遠小于此值之前，雖然最大變形可以忽略不計，但質量509.2 kg過小，這表明液壓支架可以達到輕量化的目的，并且在同時結構的優化可以保證液壓支架的強度和剛度、剛性。為了驗證優化的頂梁可能適用于液壓支架的其他工作條件下，后續的工作應該選擇扭轉工況檢查液壓支架的頂梁強度和剛度。

圖3 ANSYS Workbench軟件對優化的（圓度）頂梁進行的靜態分析

4 結論

最佳模型是通過將冠層的重量作為最優目標函數，結構強化作為限制條件建立的。最佳計算是通過使用GDO方法在Workbench中編程來實現的，可以減少原始冠層質量的9.13%。優化后的模型也適用于其他條件。該效果明顯，發展周期縮短，產品質量提高，成本降低，因此對液壓系統的研究、開發、指導具有重要意義，對未來煤礦液壓支持產品具有參考價值。