郭彥軍

（山西陽(yáng)煤集團(tuán)碾溝煤業(yè)有限公司， 山西 清徐 030400）

引言

20世紀(jì)70年代，液壓支架在我國(guó)屬于發(fā)展時(shí)期，處于學(xué)習(xí)液壓支持的階段；在70年代、80年代初，我國(guó)大規(guī)模引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的液壓支架，處于吸收和消化階段；直到90年代中期，獨(dú)立研究液壓支架在我國(guó)開始迅速發(fā)展。隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，煤炭資源和煤炭生產(chǎn)的需求大大增加，已經(jīng)用盡了煤層角度較小且易開采的煤層，對(duì)于更大的傾斜角度，開采量正逐漸增加，液壓支架的穩(wěn)定建立也成為一大難題。大傾角采礦面臨傾倒的危險(xiǎn)，液壓支架的穩(wěn)定性是安全工作的基礎(chǔ)。本文以ZZ10800/22/45薄基巖液壓支架頂梁為例，根據(jù)有限元法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與有限元分析計(jì)算結(jié)果，開發(fā)了優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和頂部液壓支架同時(shí)，根據(jù)GDO計(jì)算梁提出輕量化設(shè)計(jì)。

1 液壓支架三維參數(shù)化模型的建立

液壓支架是地下工程或隧道工程的重要設(shè)施之一，用于支撐頂部巖石，防止頂部巖石崩塌。它可以提供一個(gè)安全的設(shè)備和施工人員工作空間。近年來，一些國(guó)家正在研究薄煤層淺埋煤層含水層基巖的安全開采，但結(jié)果主要集中在減少防水支柱，而很少有研究薄基巖液壓支架的改進(jìn)和優(yōu)化。因此，研究開發(fā)新型液壓支架是必要的，對(duì)于提高煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益有很大幫助。

液壓支架頂梁由三維參數(shù)化模型通過使用建立ANSYSWorkbench的三維參數(shù)化模塊DM得到。在模型建立過程中，一些不重要的部分被簡(jiǎn)化了，不會(huì)影響強(qiáng)度分析結(jié)果，這種簡(jiǎn)化符合工程實(shí)踐。簡(jiǎn)化后的液壓支架頂梁的三維參數(shù)化模型，如圖1所示。

2 材料屬性，限制和負(fù)載設(shè)置

充分尊重ZZ10800/22/45液壓支架的焊接結(jié)構(gòu)，大部分零件選用Q550鋼板為材料，部分采用Q235鋼板和Q690等。Q550鋼板彈性比為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，銷軸材料為40Cr。

圖1 液壓支架頂梁的三維參數(shù)化模型

在計(jì)算過程中，將砌塊鋪設(shè)在不同的液壓支架上，來模擬不同承載工況下的井況。產(chǎn)生的力量通過對(duì)液壓支架的阻塞作為限制條件，通常在有限元中處理分析。頂梁及母板兩側(cè)各放置兩塊結(jié)束加載工作狀態(tài)。因此，四根支柱施加在頂梁和基座上。根據(jù)規(guī)定，液壓支架強(qiáng)度試驗(yàn)的載荷施加方式在負(fù)荷消耗模式里面。所以，這些荷載是由四根支柱施加在頂梁和基礎(chǔ)上的，值為液壓支架原型的工作阻力的1.2倍。

3 靜力學(xué)及優(yōu)化分析

3.1 靜力學(xué)分析

靜力分析主要用于分析結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件在靜態(tài)負(fù)載下的響應(yīng)。這是有限元分析（FEA）中最基本的方法，首先對(duì)頂梁兩端液壓支架進(jìn)行了典型負(fù)載工作條件的總體強(qiáng)度有限元分析。相關(guān)總位移和等效應(yīng)力分布規(guī)則可以找到。有關(guān)總位移分布規(guī)律和等效應(yīng)力分布規(guī)則如下頁(yè)圖2所示。

圖2中（2-1）顯示頂梁和側(cè)板斜面兩端的應(yīng)力值為最高達(dá)到377.24 MPa，低于材料屈服極限。雖然壓力比較大，但是由于頂梁的變形而產(chǎn)生集中其他部位的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力，所以，液壓支架可以滿足使用需求。

圖2 液壓支架頂梁的三維參數(shù)化模型

圖2中（2-2）顯示最大位移位于頂梁中部，其值為2.607 4 mm。位移從頂梁中間減少到頂梁端。頂梁上相對(duì)殘余變形不到0.4%，所以液壓支架可以滿足使用需求。

此外，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，通過靜力學(xué)分析找出了確定液壓支架的下降和傾倒的原因，并考慮安全因素，以此提出液壓支架的防滑傾倒措施有以下幾點(diǎn)：

1）防滑千斤頂?shù)脑O(shè)置，當(dāng)其中一個(gè)托架位于托架底座之間時(shí)，設(shè)置防滑千斤頂發(fā)生下降，以支撐壓力為支點(diǎn)的支架，滑動(dòng)千斤頂伸向控制支架的穩(wěn)定性，防止支架下降的同時(shí)，防止傾銷。

2）摩擦因子的增加，在升降過程中，基巖與巖石之間的摩擦沿著斜坡平衡重力的分力。工作壓力和重力不能調(diào)節(jié)，因此增加摩擦系數(shù)有助于增加摩擦力防止支架下降。

3）確保支架對(duì)屋頂?shù)闹瘟Γ瑫r(shí)，減少支架重量。在靜態(tài)分析中，我們可以知道下降與下降分力的作用有關(guān)，所以保證支架的支撐能力的同時(shí)，降低框架自重力，有助于減少框架倒下防止支架下降。

4）工作面布置成傾斜狀態(tài)，是液壓支架下傾的主要原因，所以斜工作面在大角度狀態(tài)下減少傾角很具實(shí)用性，也對(duì)防止支架失效具有重要意義。

3.2 優(yōu)化分析

目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化是一組樣本中的多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)（一定數(shù)量的設(shè)計(jì)點(diǎn)以獲得最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)）。本文選擇top托盤厚度（Extr1.FD1），塔頂蓋板厚度（Extr2.FD1），頂梁之間板厚（Extr26.FD1），腹板厚度（Extr29.FD1）等，所以有總共8個(gè)設(shè)計(jì)變量。本文的目的是通過體積優(yōu)化結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)方法，質(zhì)量考慮作為目標(biāo)函數(shù)。通過ANSYS Workbench分析，生成了三個(gè)最佳候選設(shè)計(jì)點(diǎn)。其中一點(diǎn)為最佳設(shè)計(jì)，頂梁已達(dá)到輕質(zhì)目標(biāo)，不會(huì)損失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.3 優(yōu)化結(jié)果檢查

為了驗(yàn)證有限元分析的可靠性。使用ANSYS Workbench軟件對(duì)優(yōu)化的（圓度）頂梁進(jìn)行靜態(tài)分析。

圖3顯示在頂梁優(yōu)化后，最大等效應(yīng)力為略優(yōu)于優(yōu)化前，其他部位的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于此值之前，雖然最大變形可以忽略不計(jì)，但質(zhì)量509.2 kg過小，這表明液壓支架可以達(dá)到輕量化的目的，并且在同時(shí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以保證液壓支架的強(qiáng)度和剛度、剛性。為了驗(yàn)證優(yōu)化的頂梁可能適用于液壓支架的其他工作條件下，后續(xù)的工作應(yīng)該選擇扭轉(zhuǎn)工況檢查液壓支架的頂梁強(qiáng)度和剛度。

圖3 ANSYS Workbench軟件對(duì)優(yōu)化的（圓度）頂梁進(jìn)行的靜態(tài)分析

4 結(jié)論

最佳模型是通過將冠層的重量作為最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)化作為限制條件建立的。最佳計(jì)算是通過使用GDO方法在Workbench中編程來實(shí)現(xiàn)的，可以減少原始冠層質(zhì)量的9.13%。優(yōu)化后的模型也適用于其他條件。該效果明顯，發(fā)展周期縮短，產(chǎn)品質(zhì)量提高，成本降低，因此對(duì)液壓系統(tǒng)的研究、開發(fā)、指導(dǎo)具有重要意義，對(duì)未來煤礦液壓支持產(chǎn)品具有參考價(jià)值。