液壓支架結構尺寸的優化設計

聶攀峰

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 古交 030020）

引言

液壓支架為與工作面采煤機、刮板輸送機相配套的機械設備，其主要為工作面頂板實現支護，以保障工作面的安全生產。液壓支架的應用間接提升了工作面綜采設備的機械化水平，提升了工作面的生產效率[1]。液壓支架在不同的工況下受力情況不同，其應力集中位置和應變大小也不同。實現液壓支架的輕量化設計對進一步提升其支護效率，保證工作面的安全生產具有實際意義。本文將以液壓支架強度為基礎對其結構尺寸進行優化設計，達到輕量化的目的。

1 液壓支架概述

根據液壓系統各部件功能不同，可將其劃分為承載結構件、執行元件、控制元件、輔助裝置以及傳動介質。其中：承載結構件為液壓系統的關鍵結構件，是承受頂板來壓載荷的基礎；執行元件主要指立柱和相關千斤頂，基于執行元件可適應工作面高度調整支架的高度和液壓支架的形態；控制元件主要指系統中各類閥，主要包括有安全閥和單向閥兩種，根據現場情況控制安全閥和單向閥使得液壓支架完成各種動作；輔助裝置指液壓支架的護幫裝置、復位裝置以及擋矸裝置等；傳動介質為由乳化油和水按照比例配的乳化液[2]。

2 液壓支架的優化設計必要性分析

本文所研究的液壓支架為兩柱掩護式液壓支架，具體型號為ZY120000/24/56D，每條支護的設計額定工作阻力為6×103kN。為保證液壓支架優化設計后其強度能夠保證在各個工況下的支護要求，本節基于有限元分析，提前掌握液壓支架在優化設計前對頂梁偏心加載、頂梁扭矩加載、底座扭矩加載、底座兩端加載以及頂梁扭矩與底座兩端同時加載等工況下的應力及應變情況進行分析。

1）在頂梁偏心加載工況下，液壓支架最危險的位置位于掩護梁前端的豎直鋼板和凸臺和掩護梁焊接之處。但是，上述最危險位置的應力值沒有超過材料的許用應力。

2）在頂梁扭矩加載工況下，液壓支架最危險的位置位于頂梁前端的墊塊位置，其次危險的位置位于護幫裝置的臺階處。但是，上述最危險位置的應力值沒有超過材料的許用應力。

3）在底座扭矩加載工況下，液壓支架最危險的位置位于底座位置，此外其他位置的應力值均很小[3]。

4）在底座兩端加載工況下，液壓支架最危險的位置同樣位于底座上，其次為掩護梁豎直的鋼板上，第三危險的位置位于頂梁底部的后端。

5）在頂梁扭矩與底座兩端同時加載的工況下，液壓支架的最危險位置位于頂梁位置，主要集中于頂梁前端墊塊位置；其次為底座位置具體位于其內側豎直鋼板處；第三危險的位置位于掩護梁主要集中于凸臺與掩護梁焊接的位置處。

經綜合匯總，在上述五種工況下液壓支架關鍵部件的最大應力值如表1 所示。

表1 液壓支架關鍵部位最大應力值

如表1 所示，盡管液壓支架在不同工況下的最大應力值很大但是均未超過材料的許用應力，而且在某些位置最大值很小，即該位置所選材料的強度過大，從而無形中增大了油液支架的重量。因此，在保證液壓支架強度要求的基礎上可對某些位置的鋼板厚度進行改變或采取挖空處理的措施達到輕量化處理的目的[4]。

3 液壓支架尺寸的優化設計

基于“2”中的仿真分析結果，可通過對液壓支架某些位置的結構厚度進行優化，保證其能夠滿足液壓支架在各種工況下的強度要求外，使其結構厚度為最小，從而達到液壓支架輕量化的目的。

結合仿真分析結果，對液壓支架頂梁、掩護梁、連桿以及底座等位置的結構厚度進行優化，保證上述結構厚度經優化后在各種工況下的最大應力值不超過560 MPa。其中，頂梁結構尺寸的范圍為30～60 mm；掩護梁結構尺寸的優化范圍為10～20 mm；連桿結構尺寸的優化范圍為10～25 mm；底座結構尺寸的優化范圍為15～25 mm。經優化設計后，液壓支架各部件的尺寸對比如表2 所示。

如表2 所示，經對液壓支架頂梁、掩護梁、連桿以及底座等部位的結構尺寸進行優化設計后，其對應結構尺寸均減小。經核算，液壓支架關鍵部位尺寸優化后整機質量由3.22×104kg 減輕至3.15×104kg，總共減輕質量約為0.07×104kg。根據優化結果對有限元仿真模型進行修改，并對其在不同工況下的最大應力值進行仿真，優化前后液壓支架在不同工況下的最大應力值對比如表3 所示。

如表3 所示，經對液壓支架頂梁、掩護梁、連桿以及底座等結構尺寸進行優化設計后，不僅液壓支架的總體重量減輕，而且在不同工況下液壓支架的最大應力值也得到減小。因此，經對液壓支架關鍵部件結構尺寸進行優化后不僅提升了液壓支架的支護效率，而且提升了其可靠性[5]。

表2 液壓支架關鍵部件優化前后尺寸對比

表3 液壓支架尺寸優化前后最大應力值對比

4 結論

液壓支架作為綜采工作面的關鍵綜采設備，要求其能夠在不同工況下保證支護要求。為實現液壓支架輕量化的要求，便于其在工作面的安裝，本文對其關鍵部件結構尺寸進行優化設計。經優化設計后，液壓支架的總質量減輕0.07×104kg，且在不同工況下液壓支架的最大應力值減小，大大提升了液壓支架的可靠性。