礦井液壓支架底座結構的優化設計

王銳兵

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046699）

引言

礦井液壓支架是綜采工作面的安全生產設備。液壓支架通過自身的結構作用力，保障一線作業人員有足夠安全的作業空間。通過支撐上部圍巖的重量，確保煤炭開采能夠順利進行。液壓支架通過液壓缸內高壓油液對各個承載部件進行伸縮，根據工作面的地質形狀改變支撐位置，關系到整個開采過程的生產安全。面對惡劣的礦井環境，液壓支架的升柱、降柱都受到了較大的沖擊載荷以及振動力作用。尤其是液壓支架的底座是承載上部載荷的關鍵部件，底座的抗沖擊性能關系到液壓支架的安全性[1]。由于地質情況的變化，底座發生受扭破壞的情況較多，在設計時所選用的安全系數較低，容易使得支架發生傾倒。因此，應提升液壓支架底座的結構強度并且實現減重設計。

1 ZF3880/20/30型液壓支架簡介

ZF3880/20/30型液壓支架主要應用于中薄煤層，其組成構件包括頂梁、底座、立柱、尾梁等關鍵部件。單個液壓支架的質量為11.54 t。在綜采工作面中，對礦井惡劣作業環境的適應性較強，尤其在坡度小于10°傾斜煤層中能充分發揮出工作性能[2]。該型號液壓支架可沿底板一次性放頂煤作業，在緊急或特殊環境中也可用急傾斜特厚煤層，實現綜采工作面的分層放頂煤開采。主要的性能特點為縱橫向穩定性好、支護能力較強、作業靈活性較高、對頂板適應性強[3]。

2 液壓支架底座仿真模型的建立

2.1 工具軟件的連接

為了確保ZF3880/20/30型液壓支架仿真計算有良好的兼容性，采用Pro/E三維建模軟件與ANSYS Workbench仿真軟件相結合，通過CAD/CAE的通訊接口實現仿真協同環境的建立。利用Pro/E在三維建模方面的專業性以及ANSYS Workbench強大的仿真計算及優化模塊，對液壓支架底座進行仿真計算。

2.2 液壓支架底座三維模型建立

采用Pro/E軟件建立液壓支架底座時，有必要對結構的零碎構件進行去除，適當進行簡化處理，提高仿真計算的效率并且避免網格畸形。簡化位置主要包括倒角、圓角、小孔等對整體受力影響不大的部位。作出適當的假設，將焊接部位看作是整體結構的一部分。按照ZF3880/20/30型液壓支架底座1∶1的大小建立起底座三維模型，如圖1所示。

圖1 液壓支架底座三維模型示意圖

2.3 液壓支架底座仿真網格模型

首先應該對液壓支架的底座材料進行設定，設置整體材料為Q550高強度結構鋼，具體參數：彈性模量為2.06e+5 MPa、波松比為0.28、屈服強度為550 MPa、抗拉強度為630、伸長率為>16%[4]。為了提高液壓支架底座的計算精度，采用8節點6面體網格單元，對底板耳板、柱窩容易出現應力集中的部位，將網格進一步細化。網格單元數目為647 188節點，數目為1 046 578，如下頁圖2所示。

圖2 液壓支架底座網格模型圖

其次設置液壓支架底座的邊界條件，將底座下部的大地模型設置為無反射邊界，將底座三個方向X、Y、Z進行位移約束[5]。由于底座受到的液壓作用力為動載荷形式，考慮到底座極限受力情況，采用最大靜態力的分析方法，施加靜態作用力大小為動載力的1.5倍，作用力大小為8 320 kN，底座每個柱窩處的大小為2 080 kN。

3 液壓支架底座仿真計算結果

由于液壓支架底座受到兩端的集中載荷，通過米塞斯應力分布云圖可得出底座結構的應力值范圍。由圖3可知，底座的應力最大值為93.46 MPa，在底座材料的安全強度范圍。在底座的耳板、柱窩、墊塊的部位應力較為集中。可以得出連接底座，兩塊肋板之間的過橋構件，雖然過橋部件中段應力值較小，但是與肋板連接處有應力集中現象，容易發生開裂[6]。此處可適當設計為圓角結構，減小應力集中現象。從仿真計算結果分析，在滿足底座材料強度安全的情況下，可減輕底座整體質量，實現輕量化設計。

圖3 優化前液壓支架底座應力（Pa）云圖

4 液壓支架底座優化設計及計算結果對比

4.1 優化設計變量

利用ANSYS Workbench仿真軟件中的優化模塊，將底座的柱窩高度、耳板厚度、墊塊寬度等三個參數設置為優化變量。以材料屈服強度為設計限值，設置柱窩高度變化范圍為315~385 mm、耳板厚度變化范圍為54~66 mm、墊塊寬度變化范圍為144~176 mm?，F有液壓支架底座質量為16.09 t，通過優化設計變量，實現支架底座重量的下降。

4.2 優化參數的確定

Workbench仿真軟件的優化模塊中，采用插值的計算方式，將柱窩高度、耳板厚度、墊塊寬度三個參數進行正交計算優選，并且以結構材料強度和重量為目標，開展三個參數的靈敏性分析得出，底座的柱窩高度對整體質量起決定性作用，而另外兩個變量-墊塊寬度與耳板厚度對底座的質量影響效果不明顯，即底座質量對柱窩高度變化最為敏感。同時將結構減重設計列為優先級，優化后的最大等效應力數值的1.5倍不得大于Q550材料的屈服強度，保證底座結構的安全，整體質量保持在12 943 kg，并且發生了35.89 mm的位移。經過計算，柱窩高度優化為324.44 mm、耳板厚度優化為54.066 mm、墊塊寬度優化為145.04 mm。按照初始條件，重新建立起底座的仿真網格模型，對優化前后的結構進行對比分析。

4.3 優化前后對比分析

圖4為優化后底座等效應力云圖，由優化結果可知：

圖4 優化后底座應力（Pa）云圖

1）最大等效應力有了明顯的提高，但依舊出現在與墊塊接觸位置，因為這個位置是固接引起的應力集中區域，可以直接忽略；

2）優化后雖然應力有所增大，不過尚未達到本次優化所用材料Q550的屈服強度，與之前對比應力分布更為均勻，以靜力學為理論依據，可以判斷出本次優化是可行的；

3）底座變形雖有所提高，但仍滿足其剛度需求；

4）經過優化，底座的質量減少了3 142 kg，從16 085 kg降低到12 943 kg，同時滿足了強度和剛度的要求，制造成本降低了19.54%左右，對底座的設計變量進行了調整。因此，本次優化結果實現了降低成本的優化目的。

5 結語

為了提升液壓支架在礦井綜采工作面的結構可靠性和使用壽命，對其關鍵部件——底座進行了優化設計研究。通過對底座關鍵設計變量參數進行優化，使得整體結構的作用力分布更加均勻，減小了應力集中現象，并且在滿足材料強度安全范圍的情況下，實現了結構減重設計，提高了液壓支架制造廠商的經濟效益。