大采高綜采工作面液壓支架優化設計

董 峰，劉向麗

（1.北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京 101300；2.山西大同大學，山西大同 037000）

0 引言

隨著工業技術的不斷進步，我國煤炭產業正在快速向集約和高效方向發展。在這一趨勢下煤炭企業通過提高機械化、自動化程度來提高生產效率，其中大采高特別是一次采全高的生產方式，在提高生產效率的同時還能減少設備的復雜程度、優化生產工藝[1]。但是，大采高生產工藝需要有更加可靠的機械設備為其服務，綜采液壓支架就是其最為關鍵的組成部分。綜采液壓支架主要由機械部件和液壓設備組成，負責頂板支護并為煤炭生產提供安全可靠的采掘空間，確保安全生產。通過對綜采工藝的研究可知，隨著采高的增加，液壓支架會經受更大的考驗，在惡劣的工作環境下，由于循環載荷導致金屬疲勞，致使綜采液壓支架核心部位產生形變乃至斷裂[2-3]。為解決這一問題，以型號ZY12000/28/64D的綜采液壓支架為對象，通過對其工作中所承受的實際載荷進行研究，采用有限元分析法對其頂梁所受的扭轉應力進行分析得出應力分布情況和薄弱環節，然后以仿真結果為依據對該型號綜采支架進行優化，減少應力集中情況，增加其使用壽命。

1 綜采液壓支架運行原理和技術標準

1.1 運行原理

綜采液壓支架運行流程主要為升降架以及推架和移架等[4]，主要動作的動力均由液壓泵站所供給的乳化液所提供，運行原理和結構見圖1。綜采液壓支架通過大立柱完成升降，確保對圍巖提供足夠的承載力；移架等主要是利用底座與液壓油缸的相互配合完成的，其液壓管件和各控制閥的運行狀態不同，以此配合完成相應動作。

圖1 綜采液壓支架運行原理及組成結構

1.2 載荷性質

煤炭回采過程中圍巖和液壓支架存在相互作用力，不同區域不同狀態的圍巖對液壓支架造成的載荷不同[5]，因此通過對液壓支架頂梁、底座以及掩護梁等部件承受載荷變化情況進行研究，可以分析支架所受載荷的情況。綜采液壓支架的工作環境通常較為惡劣，因此其所受載荷一般是復雜和隨機的，在對現場實際所受的載荷分布進行甄別，可分為對稱以及非對稱集中載荷，這些載荷都作用在綜采液壓支架的頂梁上。

1.3 技術標準

按照《液壓支架通用技術條件》《液壓支架型式試驗規范》等國家技術標準，同時收集其現場運行情況，主要分析綜采液壓支架所受扭轉應力工況。本次有限元分析試驗要求必須符合國家技術標準，所以在模型建立時調整支架的最低高度，增加了300 mm。Y12000/28/64D 型綜采液壓支架采高在2800～6400 mm，行程3600 mm，按照相關規范進行計算得到的支架模型有限元分析試驗高度為3900 mm。

2 基于有限元的綜采液壓支架仿真分析

2.1 三維建模

ZY12000/28/64D 綜采液壓支架結構組成相對復雜，對三維建模造成困難，同時也難以保證足夠的精確度，所以首先要簡化部分支架結構，然后再建立三維模型，這樣可以保證仿真計算效果。

本次簡化要點有以下4 個：①高強度的焊縫并不會對整體產生影響，因此可以忽略不計；②刪除不影響液壓支架受力的、不起核心作用的零部件；③保留容易造成損壞的薄弱部位；④確保受力的核心承載部件的準確性。

利用三維設計軟件Pro/E 建立三維模型，設計液壓支架的各個組成部分的三維模型，包括底座、頂梁、大立柱、掩護梁等，之后將這些三維模型裝配在一起，完成液壓支架三維建模工作（圖2）。

圖2 組裝后的ZY12000/28/64D 液壓支架模型

2.2 有限元仿真建模

將建好的三維模型加載至ANSYS 軟件中，按照現場工況設置液壓支架的初始作業狀態。ZY12000/28/64D 綜采液壓支架制作材質設置為Q550，彈性模量設置為2.1×105MPa，泊松比設置為0.35。利用Solid45 實體網格單元將綜采支架的結構整體網格化，為更準確地分析應力情況，對于重點區域的網格要進行細化。

2.3 有限元仿真分析

為確保有限元仿真分析結果的準確性，在頂梁中上部以正常作業狀態下的實際載荷進行加載，加載量10 000 N，可得到底座和頂梁的應力云圖（圖3）。

圖3 底座及頂梁的仿真分析應力云圖

由圖3a）可知，頂梁前段位置所受應力值較大，為882.236 MPa，特別在出現應力突變或過度集中時有可能出現破裂，對頂梁整體的安全性產生影響。由圖3b）可知，底座整體受到的應力較小，但底座結構能夠承受更大的應力。

3 液壓支架優化設計

（1）按照本次有限元仿真試驗結果對應力集中的頂梁前端進行優化。對ZY12000/28/64D 型支架頂梁前端應力集中區易破壞的筋板開展優化設計，將其筋板增厚、由20 mm 改為30 mm，優化設計位置見圖4。

圖4 優化后的頂梁結構

（2）將頂梁應力集中部位筋板增加后的三維模型重復進行加載和有限元仿真分析（圖5），優化設計后頂梁所受應力極值為691.548 MPa，比原頂梁結構的882.236 MPa 減少190.688 MPa，因此優化設計后液壓支架頂梁所受的應力集中情況明顯改善。

圖5 優化后頂梁所受應力云圖

4 結論

（1）按照相應國家標準對ZY12000/28/64D 型液壓支架進行調整和簡化后，建立三維模型，對支架頂梁和底座開展有限元仿真分析，結果顯示頂梁前端應力集中明顯，應力值達到882.236 MPa。

（2）根據仿真結果，將頂梁前端應力集中部位筋板厚度增加后，再次開展仿真試驗，試驗結果顯示優化后頂梁應力集中部位所受載荷減小190.688 MPa。

（3）對設備實際生產過程中的運行狀況進行收集，建立三維模型，利用有限元仿真分析法可確定零部件的缺陷或者薄弱地帶，通過優化可改善設備的運行狀況。該方法可在其他易損設備推廣應用。