礦用支護(hù)材料輕量化的設(shè)計與研究＊

溫馨

（1.中煤科工集團(tuán)北京土地整治與生態(tài)修復(fù)科技研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.煤炭行業(yè)礦區(qū)土地整治與生態(tài)修復(fù)工程研究中心，北京 100013；4.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013）

在新時代國內(nèi)外復(fù)雜嚴(yán)峻環(huán)境下，礦井下安全高效率的生產(chǎn)不僅與后疫情時代國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形式回升，國家規(guī)模性紓困等發(fā)展布局密切相關(guān)，更會直接影響國際輿論等重大戰(zhàn)略布局。在煤炭開采過程中，液壓支架被大量使用，直接關(guān)乎煤炭安全高效開采。液壓支架的主要作用是隔離采空區(qū)，有效而可靠的支撐和控制工作面頂板，保證煤炭開采過程的安全，同時還能前移和推進(jìn)工作面輸送機(jī)，與采煤機(jī)、輸送機(jī)配套使用實(shí)現(xiàn)落煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)和放頂回采工藝過程的全部機(jī)械化。液壓支架通常應(yīng)用在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，需要承受巖層的交變載荷作用，其頂梁是直接與圍巖接觸的承載部件，受到彎曲和剪切相耦合的作用力，其結(jié)構(gòu)的受力情況對液壓支架安全性至關(guān)重要。

傳統(tǒng)液壓支架的結(jié)構(gòu)中，體積重量較大的部件包括頂梁、掩護(hù)梁、立柱、底座[1]等。在液壓支架升降柱、行走、推移運(yùn)輸機(jī)等過程中由多個液壓機(jī)共同推動。為了達(dá)到足夠的抗彎、抗壓強(qiáng)度和剛度要求，液壓支架設(shè)計和生產(chǎn)過程中通常采用鍛壓成型碳鋼為基礎(chǔ)材料制備，其密度和重量通常較大，所消耗能量甚巨。隨著國家對煤礦機(jī)械綜采行業(yè)的規(guī)范，綜采設(shè)備將不再以重量計算價格。重量巨大的支架在工作推移過程中需要使用液壓油缸，移架較慢，能量損耗巨大，且無法做到電缸級別的精確控制，嚴(yán)重限制了工作面智能化、無人化發(fā)展。支架在井下拆卸、維修、運(yùn)輸都需要投入大量的能源動力，影響采煤生產(chǎn)效率。

在未來井下智能化的發(fā)展格局下，液壓支架的輕量化是必然趨勢。目前國內(nèi)外對液壓支架輕量化主要通過3個設(shè)計途徑：布局架構(gòu)設(shè)計、基體材料設(shè)計和制造工藝設(shè)計。

1.布局架構(gòu)設(shè)計

布局架構(gòu)設(shè)計指的是在不改變液壓支架使用材料工藝和類別的條件下，通過有限元分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬等方法計算液壓支架在不同工況下各組件的受力分布狀態(tài)，建立各種優(yōu)化目標(biāo)下的工件優(yōu)化模型，繼而通過結(jié)構(gòu)的改變，減少鋼材的使用量。王邦祥等[2]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型對液壓支架底座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。以Minor線性疲勞累積損傷理論和S-N曲線推到底座疲勞壽命達(dá)到N次時的疲勞應(yīng)力值，結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模擬和遺傳算法相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了底座9%以上的設(shè)計結(jié)構(gòu)輕量化（圖1）。薛聰[3]采用仿真分析軟件建立實(shí)體三維模型，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況和應(yīng)用現(xiàn)狀，針對液壓支架最危險的工況狀態(tài)（頂梁扭轉(zhuǎn)狀態(tài)、底座兩端同時加載狀態(tài)）進(jìn)行分析，將網(wǎng)格大小設(shè)定為35mm，網(wǎng)格總數(shù)約兩萬個。通過仿真計算發(fā)現(xiàn)，危險工況狀態(tài)下應(yīng)力主要分布在頂梁內(nèi)的前半部分和底座內(nèi)側(cè)支撐部。

通過以上理論計算分析，可以針對性地進(jìn)行布局架構(gòu)調(diào)整。分析液壓支架應(yīng)力云圖，各部分受力特點(diǎn)，對支架各部位進(jìn)行拓補(bǔ)優(yōu)化設(shè)計，在保證剛度和安全性的前提下，降低液壓支架的質(zhì)量。對于嚴(yán)苛工況下的主應(yīng)力分布區(qū)維持現(xiàn)有狀態(tài)或增加強(qiáng)化梁，在應(yīng)力分布較小的區(qū)域降低鋼材用量，降低應(yīng)力承載冗余，可有效減小支架的總重量[4]。

2.基體材料設(shè)計

傳統(tǒng)液壓支架主要使用高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼為基體材料。鋼鐵材料經(jīng)過百余年的發(fā)展，生產(chǎn)工藝、制造技術(shù)較為成熟，價格相對低廉。然而，鋼鐵材料密度過高的特點(diǎn)成為液壓支架沉重的主要原因。因此，制造基材角度出發(fā)，尋找新型合金和復(fù)合材料是液壓支架輕量化必經(jīng)的發(fā)展方向。

2.1 輕質(zhì)合金材料

輕質(zhì)合金是以鋁（2.70g/cm3）鎂（1.74g/cm3）鈦（4.50g/cm3）等具有低密度高強(qiáng)度金屬為主要成分的合金，通過摻雜銅、錳、硅、鎂、鋅、鋯、鈮、鉻等元素調(diào)控強(qiáng)度、塑形、耐蝕性。輕質(zhì)合金在航空航天、醫(yī)療器械、石油化工、智能汽車、新型發(fā)動機(jī)、水力發(fā)電、電子設(shè)備等各行業(yè)中有廣泛應(yīng)用。針對井下防爆放火的特殊要求，部分輕質(zhì)合金不能直接暴露在外，因此可以選用鈦鎂合金為主要基體，在外側(cè)包覆有機(jī)樹脂，從而對鋼材進(jìn)行替代[5]。

2.2 金屬/有機(jī)復(fù)合材料

復(fù)合材料是由多種不同特性的原料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和理化性質(zhì)，以一定的復(fù)合工藝制備出的結(jié)構(gòu)件。馬希青等[6]通過設(shè)計復(fù)合金屬板材，在液壓支架的受力集中處焊接或粘連強(qiáng)化件以達(dá)到提升局部性能和有效降重的效果。王芳芳[7]通過有限元分析受力情況，得到復(fù)合結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，經(jīng)過計算得到了焊板厚度與支架最大應(yīng)力和許可應(yīng)力建的關(guān)系，并使用16Mn作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有效復(fù)合。

2.3 碳纖維復(fù)合材料

碳纖維具有抗拉強(qiáng)度極高，彈性模量大、穩(wěn)定性強(qiáng)、重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，被視為復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的未來。碳纖維材料在汽車制造、航空航天、軍/民用設(shè)備等眾多領(lǐng)域已有廣闊應(yīng)用。如圖2所示，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可分為短碳纖維增強(qiáng)和長碳纖維增強(qiáng)，其中短碳纖維增強(qiáng)主要依靠纖維與基體之間的浸潤后的預(yù)壓縮應(yīng)力、纖維拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)和纖維橋接等，而長碳纖維則通過預(yù)先編織好的結(jié)構(gòu)件作為骨架，再在外層進(jìn)行封塑，使復(fù)合材料具備極強(qiáng)的內(nèi)部預(yù)應(yīng)力，以抵消外部受力。通常情況下，短碳纖維復(fù)合后的材料強(qiáng)度提升可達(dá)40%[8]，而長碳纖維編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料則可將材料強(qiáng)度提升數(shù)倍到數(shù)十倍[9]。液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、立柱部分大都承受剪應(yīng)力。若在應(yīng)力應(yīng)變較大的區(qū)域使用碳纖維復(fù)合材料，可以極大程度地提升液壓支架的承載重量，同時做到自身重量的大幅減輕。

圖2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

3.制造工藝設(shè)計

目前的液壓支架各部分組件生產(chǎn)制造依然停留在各自模塊―加工―焊接―組裝的工藝形式，沒有針對液壓支架總體進(jìn)行制造工藝優(yōu)化設(shè)計。曹連民等[10]從液壓支架加工制造角度出發(fā)，在支架結(jié)構(gòu)選材、整版下料、焊接、切割等流程進(jìn)行整體設(shè)計，在保證力學(xué)穩(wěn)定的前提下有效控制了支架的總體重量，通過部分結(jié)構(gòu)弧裝鏤空或使用泡沫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡量減少各組合部件的數(shù)量，可以通過各部件的一次成型或激光選區(qū)熔化（SLM），從而減少因部件連接造成的支架重量增加，同時增加連接處的安全可靠性，減少接觸面間的腐蝕，實(shí)現(xiàn)支架的輕量化。

液壓支架底座承受力分布較為均勻，而目前底座較多采用板式結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造。針對這一狀況，可以將液壓支架底座改為中空箱式結(jié)構(gòu)，外壁采用薄壁超強(qiáng)鋼進(jìn)行加固。在箱式結(jié)構(gòu)上側(cè)留有開口，針對復(fù)雜頂?shù)装迩闆r，可充入水或沙子進(jìn)行重心穩(wěn)固。王宜君[11]對液壓支架底座進(jìn)行箱式設(shè)計，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，液壓支架底座重量大幅下降。

在加工制造過程中若使用多種復(fù)合材料，在制造過程中，需要根據(jù)不同的材質(zhì)開發(fā)針對性的連接技術(shù)。傳統(tǒng)鋼材的連接技術(shù)包括焊接、鉚接、螺接等[12]。這些技術(shù)無法滿足碳纖維復(fù)合材料、輕質(zhì)合金、高強(qiáng)鋼等結(jié)構(gòu)的連接。對于輕質(zhì)合金，應(yīng)采用冷鏈接的方法，而碳纖維復(fù)合材料和金屬/非金屬復(fù)合材料則應(yīng)采用膠接和機(jī)械連接并行的方式。

4.結(jié)語

輕量化是液壓支架設(shè)計的必然趨勢，使用有限元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬等方法構(gòu)建液壓支架工作狀態(tài)的應(yīng)力集中分布，針對性地進(jìn)行布局架構(gòu)調(diào)整；選用輕質(zhì)合金、復(fù)合碳纖維等新型高強(qiáng)度輕質(zhì)材料作為支架結(jié)構(gòu)的整體替代；從制造工藝整體角度出發(fā)，通過部分結(jié)構(gòu)弧裝鏤空或使用泡沫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)支架的輕量化。