煤礦用液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)

薛 聰

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)機(jī)電科， 山西 霍州 031400）

引言

為了滿足日益擴(kuò)大的煤炭需求，我國(guó)各大煤礦開始提升采煤設(shè)備的自動(dòng)化、機(jī)械化水平，特別是在綜合機(jī)械化采煤工作面版塊，而液壓支架作為巷道頂面的支護(hù)設(shè)備，對(duì)于提升煤炭采掘效率，確保生產(chǎn)安全，降低勞動(dòng)成本，具有十分明顯的作用[1]。

但目前煤礦生產(chǎn)企業(yè)所用的液壓支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量極大，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用受限較大，因此煤礦用液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)是未來發(fā)展的一大趨勢(shì)，因此本文針對(duì)某型液壓支架，在確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足要求的前提下，通過不同的方案對(duì)液壓支架整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減輕其重量的目的，從而為液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)組成

液壓支架是利用液壓系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)力，用于支護(hù)工作面頂板的一種大型支護(hù)式機(jī)械設(shè)備[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由護(hù)幫裝置、前梁、立柱、支座、推桿、連桿、護(hù)梁、液壓支架等組成。

液壓支架的整體結(jié)構(gòu)可分為承載單元、控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及輔助單元，要對(duì)液壓支架進(jìn)行輕量化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，首先需要對(duì)其各部分的作用進(jìn)行分析。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

1）承載單元。主要包括底座、頂梁、掩護(hù)梁等，底座是整個(gè)液壓支架承受壓力的部分，其將液壓支架所承受的壓力傳遞到地面上去，頂梁直接與巷道頂部接觸，起支撐掩護(hù)作用，掩護(hù)梁是防止巷道頂部的落石，同時(shí)需要承受冒落矸石的沖擊力。

2）控制單元。控制單元主要是指液壓支架的液控部分的各種控制元器件，其結(jié)構(gòu)主要根據(jù)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同而有差異。

3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括各類千斤頂設(shè)備及液壓支架的立柱，這些千斤頂類設(shè)備主要是用于移動(dòng)支架、調(diào)整液壓支架的工作狀態(tài)及其他的一些保護(hù)性動(dòng)作。液壓支架的立柱是液壓支架最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要用于頂梁和底座之間，用于承受壓力，并調(diào)整頂梁的支護(hù)角度，在實(shí)際應(yīng)用中立柱決定著液壓支架的支護(hù)高度及承受外界載荷的能力[3]。

4）輔助單元。其主要包括復(fù)位結(jié)構(gòu)、移動(dòng)結(jié)構(gòu)、照明設(shè)備等，主要起一些輔助性的功能，確保液壓支架的正常工作。

2 液壓支架有限元模型的建立

我們以某液壓支架為分析對(duì)象，采用Creo仿真分析軟件，建立其實(shí)體三維模型[4]，在建模時(shí)根據(jù)前文對(duì)液壓支架各部件作用的分析研究，將其輔助單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以便于后續(xù)的有限元分析。由于該液壓支架結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、尺寸大，在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)若網(wǎng)格劃分精密、數(shù)量多，那么分析結(jié)果雖然相對(duì)精確，但是會(huì)造成分析過程緩慢，甚至造成計(jì)算結(jié)果的不收斂性，無法得到正確的分析結(jié)果，因此本文在結(jié)合實(shí)際仿真應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用狀況和分析設(shè)備的現(xiàn)狀，取網(wǎng)格的大小為35 mm，網(wǎng)格總數(shù)為192 185個(gè)，其劃分網(wǎng)格后的有限元模型如下頁(yè)圖2所示，在進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)設(shè)定時(shí)，我們根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，該液壓支架所用的材料主要是密度為79 000 kg/m2的鋼材，其彈性模量為210 000 MPa，其抗拉極限約為750 MPa，泊松比為0.3，支架整體質(zhì)量約33 000 kg。

圖2 液壓支架有限元模型

3 液壓支架的仿真分析

我們進(jìn)行仿真分析時(shí)，針對(duì)液壓支架在最危險(xiǎn)工況下的狀態(tài)，即頂梁扭轉(zhuǎn)狀態(tài)和底座兩端同時(shí)加載的狀態(tài)進(jìn)行分析，因?yàn)橐簤褐Ъ茉谙锏劳七M(jìn)時(shí)其上端的移架容易導(dǎo)致巷道頂端的巖石出現(xiàn)垮塌，而垮塌的巖石總是向著頂梁上自由面大的一側(cè)集聚，因此導(dǎo)致支架在實(shí)際工作過程中常受到偏載工況，特別是在巷道傾斜角大、煤層厚度變化大的區(qū)域，更容易導(dǎo)致頂板和頂梁之間產(chǎn)生不對(duì)稱的應(yīng)力作用[5]，此時(shí)液壓支架不僅受到落石的非對(duì)稱作用，更要承受橫向的扭矩作用，因此十分容易導(dǎo)致液壓支架的整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞。其分析結(jié)果如圖3—圖7所示。

圖3 危險(xiǎn)工況下支架應(yīng)力（MPa）分布圖

圖5 危險(xiǎn)工況下掩護(hù)梁應(yīng)力（MPa）分布圖

由仿真分析結(jié)果可知，在非對(duì)稱工況作用下，頂梁所受的應(yīng)力最大約658 MPa，其應(yīng)力主要分布在頂梁前半部分放置墊塊的位置，底座上應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)在底座內(nèi)側(cè)的支撐鋼板上，最大應(yīng)力約為550 MPa，掩護(hù)梁的最大應(yīng)力主要分布在連接千斤頂?shù)耐古_(tái)位置和連接銷孔位置，最大應(yīng)力約為52 MPa。

首先，由分析結(jié)果可知，液壓支架在最危險(xiǎn)工況下，最大應(yīng)力往往集中于頂梁內(nèi)，這是由于頂梁直接承受巷道頂端的壓力，使頂梁與掩護(hù)梁相連接的位置容易發(fā)生損壞，導(dǎo)致其連接的銷軸經(jīng)常出現(xiàn)疲勞變形。其次，底座和掩護(hù)梁內(nèi)的應(yīng)力也較大，特別是底座內(nèi)側(cè)的支撐鋼板上的焊接位置最容易發(fā)生開裂，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要提高該處的焊接強(qiáng)度的焊接工藝，確保其強(qiáng)度滿足工作要求[6]，根據(jù)以上分析，在對(duì)該液壓支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，需要避免對(duì)應(yīng)力集中的位置進(jìn)行減弱結(jié)構(gòu)，在其他非應(yīng)力集中的位置可以適當(dāng)進(jìn)行減負(fù)，因?yàn)橐簤褐Ъ芡ǔＪ怯酶鞣N厚度不一致的鋼板組成，因此我們可以通過減薄非應(yīng)力集中區(qū)的鋼板厚度來實(shí)現(xiàn)液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)。

圖6 危險(xiǎn)工況下連桿應(yīng)力（MPa）分布圖

圖7 危險(xiǎn)工況下底座應(yīng)力（MPa）分布圖

4 結(jié)論

液壓支架在最危險(xiǎn)工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁處。根據(jù)該分析結(jié)果，在對(duì)液壓支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，可以有效避開應(yīng)力集中的位置，對(duì)非應(yīng)力集中位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使液壓支架輕量化，為礦用液壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。