薛 聰

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業(yè)機電科， 山西 霍州 031400）

引言

為了滿足日益擴大的煤炭需求，我國各大煤礦開始提升采煤設備的自動化、機械化水平，特別是在綜合機械化采煤工作面版塊，而液壓支架作為巷道頂面的支護設備，對于提升煤炭采掘效率，確保生產(chǎn)安全，降低勞動成本，具有十分明顯的作用[1]。

但目前煤礦生產(chǎn)企業(yè)所用的液壓支架結構復雜、重量極大，在實際生產(chǎn)中的應用受限較大，因此煤礦用液壓支架的輕量化設計是未來發(fā)展的一大趨勢，因此本文針對某型液壓支架，在確保其結構強度和剛度滿足要求的前提下，通過不同的方案對液壓支架整體的結構進行優(yōu)化，達到減輕其重量的目的，從而為液壓支架的輕量化設計提供理論依據(jù)。

1 液壓支架的整體結構組成

液壓支架是利用液壓系統(tǒng)為驅動力，用于支護工作面頂板的一種大型支護式機械設備[2]，其結構如圖1所示，其主要由護幫裝置、前梁、立柱、支座、推桿、連桿、護梁、液壓支架等組成。

液壓支架的整體結構可分為承載單元、控制單元、執(zhí)行機構及輔助單元，要對液壓支架進行輕量化的結構優(yōu)化，首先需要對其各部分的作用進行分析。

圖1 液壓支架結構示意圖

1）承載單元。主要包括底座、頂梁、掩護梁等，底座是整個液壓支架承受壓力的部分，其將液壓支架所承受的壓力傳遞到地面上去，頂梁直接與巷道頂部接觸，起支撐掩護作用，掩護梁是防止巷道頂部的落石，同時需要承受冒落矸石的沖擊力。

2）控制單元。控制單元主要是指液壓支架的液控部分的各種控制元器件，其結構主要根據(jù)液壓系統(tǒng)結構的不同而有差異。

3）執(zhí)行機構。執(zhí)行機構主要包括各類千斤頂設備及液壓支架的立柱，這些千斤頂類設備主要是用于移動支架、調(diào)整液壓支架的工作狀態(tài)及其他的一些保護性動作。液壓支架的立柱是液壓支架最重要的執(zhí)行機構，主要用于頂梁和底座之間，用于承受壓力，并調(diào)整頂梁的支護角度，在實際應用中立柱決定著液壓支架的支護高度及承受外界載荷的能力[3]。

4）輔助單元。其主要包括復位結構、移動結構、照明設備等，主要起一些輔助性的功能，確保液壓支架的正常工作。

2 液壓支架有限元模型的建立

我們以某液壓支架為分析對象，采用Creo仿真分析軟件，建立其實體三維模型[4]，在建模時根據(jù)前文對液壓支架各部件作用的分析研究，將其輔助單元進行適當?shù)暮喕员阌诤罄m(xù)的有限元分析。由于該液壓支架結構相對復雜、尺寸大，在進行有限元網(wǎng)格劃分時若網(wǎng)格劃分精密、數(shù)量多，那么分析結果雖然相對精確，但是會造成分析過程緩慢，甚至造成計算結果的不收斂性，無法得到正確的分析結果，因此本文在結合實際仿真應用經(jīng)驗的基礎之上，結合實際應用狀況和分析設備的現(xiàn)狀，取網(wǎng)格的大小為35 mm，網(wǎng)格總數(shù)為192 185個，其劃分網(wǎng)格后的有限元模型如下頁圖2所示，在進行仿真數(shù)據(jù)設定時，我們根據(jù)實際情況設定，該液壓支架所用的材料主要是密度為79 000 kg/m2的鋼材，其彈性模量為210 000 MPa，其抗拉極限約為750 MPa，泊松比為0.3，支架整體質量約33 000 kg。

圖2 液壓支架有限元模型

3 液壓支架的仿真分析

我們進行仿真分析時，針對液壓支架在最危險工況下的狀態(tài)，即頂梁扭轉狀態(tài)和底座兩端同時加載的狀態(tài)進行分析，因為液壓支架在巷道推進時其上端的移架容易導致巷道頂端的巖石出現(xiàn)垮塌，而垮塌的巖石總是向著頂梁上自由面大的一側集聚，因此導致支架在實際工作過程中常受到偏載工況，特別是在巷道傾斜角大、煤層厚度變化大的區(qū)域，更容易導致頂板和頂梁之間產(chǎn)生不對稱的應力作用[5]，此時液壓支架不僅受到落石的非對稱作用，更要承受橫向的扭矩作用，因此十分容易導致液壓支架的整體結構出現(xiàn)損壞。其分析結果如圖3—圖7所示。

圖3 危險工況下支架應力（MPa）分布圖

圖5 危險工況下掩護梁應力（MPa）分布圖

由仿真分析結果可知，在非對稱工況作用下，頂梁所受的應力最大約658 MPa，其應力主要分布在頂梁前半部分放置墊塊的位置，底座上應力最大的地方出現(xiàn)在底座內(nèi)側的支撐鋼板上，最大應力約為550 MPa，掩護梁的最大應力主要分布在連接千斤頂?shù)耐古_位置和連接銷孔位置，最大應力約為52 MPa。

首先，由分析結果可知，液壓支架在最危險工況下，最大應力往往集中于頂梁內(nèi)，這是由于頂梁直接承受巷道頂端的壓力，使頂梁與掩護梁相連接的位置容易發(fā)生損壞，導致其連接的銷軸經(jīng)常出現(xiàn)疲勞變形。其次，底座和掩護梁內(nèi)的應力也較大，特別是底座內(nèi)側的支撐鋼板上的焊接位置最容易發(fā)生開裂，因此在設計時需要提高該處的焊接強度的焊接工藝，確保其強度滿足工作要求[6]，根據(jù)以上分析，在對該液壓支架進行輕量化設計時，需要避免對應力集中的位置進行減弱結構，在其他非應力集中的位置可以適當進行減負，因為液壓支架通常是用各種厚度不一致的鋼板組成，因此我們可以通過減薄非應力集中區(qū)的鋼板厚度來實現(xiàn)液壓支架的輕量化設計。

圖6 危險工況下連桿應力（MPa）分布圖

圖7 危險工況下底座應力（MPa）分布圖

4 結論

液壓支架在最危險工況下的最大應力出現(xiàn)在頂梁處。根據(jù)該分析結果，在對液壓支架進行輕量化設計時，可以有效避開應力集中的位置，對非應力集中位置進行優(yōu)化設計，使液壓支架輕量化，為礦用液壓支架的結構優(yōu)化提供了理論依據(jù)。