周珊珊

（大同市同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠，山西 大同 037000）

煤礦綜采液壓支架的廣泛使用促使了液壓支架的不斷發(fā)展，同時也向著大型化、重量化方向發(fā)展。提高液壓支架結(jié)構(gòu)的作業(yè)安全成為保障煤礦開采高效進(jìn)行的關(guān)鍵[1]。

ZY12000/28/64 液壓支架在實際工程使用中具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如支撐性能優(yōu)越、操作空間較大等。在考察某煤礦開采現(xiàn)場的液壓支架時，發(fā)現(xiàn)掩護(hù)梁與頂梁連接區(qū)域出現(xiàn)了局部裂紋現(xiàn)象。如果裂紋擴(kuò)展，極容易導(dǎo)致液壓支架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞失效，這將大大降低液壓支架的支撐性能[2]。裂紋萌生于焊縫位置，長期使用，裂縫將沿裂紋處呈逐漸延伸變長現(xiàn)象，這給掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)安全性構(gòu)成重要威脅。因此，以ZY12000/28/64 液壓支架掩護(hù)梁為研究對象，開展其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析與優(yōu)化研究，提高液壓支架的支撐性能具有重要作用。

1 ZY12000/28/64型液壓支架模型建立

該液壓支架采用整體式頂梁，二級護(hù)幫板結(jié)構(gòu)，雙側(cè)布置有防護(hù)板，能對結(jié)構(gòu)起到較好的防護(hù)作用。該液壓支架能在煤層傾角不超過10°、仰采角度≤25°的作業(yè)環(huán)境下進(jìn)行支撐作業(yè)；液壓支架承受著來自煤層頂板的較大外界壓力作用，所承受壓力約12 000 kN。工作面采用大配套，保證了截深和有效移架步距；同時，液壓支架工作阻力相對較大，可以提高支架對煤層頂板的支撐能力[3]。

整個液壓支架結(jié)構(gòu)主要包括：幫護(hù)結(jié)構(gòu)、頂梁、前后連桿、底座、防護(hù)裝置等，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

圖1 ZY12000/28/64 液壓支架結(jié)構(gòu)

2 拓?fù)鋬?yōu)化理論

在液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，采用了ANSYS workbench 軟件中的shape optimization 模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化是以材料特性均勻分布的設(shè)計結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對象，首先計算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，再根據(jù)拓?fù)淅碚撊コY(jié)構(gòu)中不必要的材料，從而得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，其基本三要素包括如下內(nèi)容[4]：

2.1 優(yōu)化變量

將模型中的優(yōu)化變量組成一個向量，用x 表示，x 屬于n 維空間的一個向量。本模型中，根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果，即應(yīng)力分布的情況，選取頂梁的下表面中部、掩護(hù)梁的下表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)為拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域，即優(yōu)化變量x。

2.2 約束條件

設(shè)計變量的函數(shù)，用f（x）表示，設(shè)計目標(biāo)函數(shù)是模型的應(yīng)力和體積。約束條件是對設(shè)計的限制不等式表示。條件1：結(jié)構(gòu)應(yīng)力最小，但同時不能超過材料屈服應(yīng)力550 MPa[5]； 體積不能大于原結(jié)構(gòu)0.96，約束條件見式（1）。

2.3 優(yōu)化目標(biāo)

目標(biāo)函數(shù)是模型的最小應(yīng)力，但不能超過材料的強(qiáng)度極限，同時對結(jié)構(gòu)形狀做出優(yōu)化。各個函數(shù)都有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，在尋求目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的過程中，形成了三個要素相互制約的數(shù)學(xué)問題，優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)見式（2）。

式中：x1，x2…xn是優(yōu)化設(shè)計變量，即模型的尺寸；f（x1，x2…xn）為目標(biāo)函數(shù)；

3 分析模型的建立

首先，使用Solid Works 建立ZY12000/28/64液壓支架三維模型和掩護(hù)梁子模型。在模型的創(chuàng)建中簡化一些細(xì)小特征，如護(hù)幫裝置、圓角或小孔等細(xì)節(jié)特征。并將模型保存為STP 格式后，導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件中進(jìn)行前處理。

3.1 材料設(shè)置

該液壓支架主要材料選用厚度均勻的Q550 鋼板：彈性模量E=2.1×105 MPa，密度ρ=7 910 kg/m3，泊松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度550 MPa。

3.2 邊界條件與載荷

結(jié)合《煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[6]，確定了頂梁扭轉(zhuǎn)、偏載荷兩種工況作為分析工況。同時，在模型分析時對載荷進(jìn)行一定的簡化處理，在有限元分析時對支架的墊塊位置施加一定的約束。所確定的兩種典型工況下墊塊位置見圖2，圖中a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=50 mm。

圖2 兩種工況下墊塊位置

當(dāng)模型處于受力狀態(tài)時，可用柱帽、柱窩內(nèi)表面上均勻載荷來代替立柱對支架作用力，作用力大小為1.2×12 000=14 400 kN。墊塊與頂梁連接設(shè)置接觸，取金屬間摩擦系數(shù)0.15。

由于模型網(wǎng)格要求不高，采用了自由網(wǎng)格劃分法對模型進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元大小為40 mm，單元類型選擇solid85，最終建立的有限元模型共有195 134 個單元。

4 液壓支架掩護(hù)梁優(yōu)化結(jié)果

圖3 為液壓支架中掩護(hù)梁在ANSYS workbench拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。圖片顯示了掩護(hù)梁所選的優(yōu)化區(qū)域及拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果。從圖片中可以看到計算對中隔板進(jìn)行了鏤空處理，并減小了掩護(hù)梁重量及空間體積，以此來有效削弱筋板之間因交叉焊縫連接而導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在此優(yōu)化結(jié)果中，也對底板進(jìn)行了打孔處理，優(yōu)化效果較為明顯。

圖3 可優(yōu)化區(qū)域-優(yōu)化結(jié)果

圖4 掩護(hù)梁原狀態(tài)應(yīng)力分布

圖4 為掩護(hù)梁原始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖。由圖可知，其最大應(yīng)力值為412.5 MPa，接近材料的屈服極限，說明在掩護(hù)梁原結(jié)構(gòu)存在比較薄弱的區(qū)域，容易產(chǎn)生裂紋破壞。結(jié)合實際情況可知，液壓支架立柱連接耳板位置在實際使用中確實出現(xiàn)了裂紋的情況，由此，也驗證了此優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

5 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化分析的結(jié)果，結(jié)合液壓支架的實際使用工況，對掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。采用SolidWorks 軟件，建立了優(yōu)化后的掩護(hù)梁三維模型。采用相同處理方式，對優(yōu)化的模型進(jìn)行細(xì)小特征簡化。在模型前處理中，施加相同的載荷工況，設(shè)置相同的材料參數(shù)。通過ANSYS 軟件，開展優(yōu)化后掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后掩護(hù)梁應(yīng)力分布

圖5 為液壓支架掩護(hù)梁在偏載荷工況下的應(yīng)力分布圖。由圖可知，優(yōu)化的掩護(hù)梁最大應(yīng)力值為362.1 MPa，出現(xiàn)在橫隔板與底板連接處、立柱耳板連接處等區(qū)域。相對于優(yōu)化前的最大應(yīng)力412.5 MPa，減小近50 MPa，優(yōu)化的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料屈服極限。驗證了優(yōu)化后的掩護(hù)梁具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能更好的滿足液壓支架的使用需求。同時，優(yōu)化后的掩護(hù)梁具有更少的結(jié)構(gòu)用材，材料有原來的450 kg減少至了320 kg 左右，單一部件材料減輕了將近29%。且結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，大大降低了批量化生產(chǎn)企業(yè)的原材料及加工成本，其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯。另外，將此優(yōu)化方法應(yīng)用到液壓支架設(shè)備的其他部件優(yōu)化設(shè)計中，也將在提升部件結(jié)構(gòu)性能基礎(chǔ)上，大大降低部件的原材料及加工成本，所帶來的實際應(yīng)用價值及推廣應(yīng)用價值相當(dāng)顯著。也對其他煤礦設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計也提供了重要參考。

6 結(jié)語

不斷提升礦用液壓支架的結(jié)構(gòu)性能，對提高煤礦開采效率及作業(yè)安全具有重要作用。而在結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上，充分利用先進(jìn)計算機(jī)仿真設(shè)計及優(yōu)化方法來開展液壓支架部件的性能研究，成為當(dāng)前提高設(shè)計效率及設(shè)計可靠性、降低設(shè)計研發(fā)成本的關(guān)鍵。為此，針對ZY12000/28/64 型礦用液壓支護(hù)掩護(hù)梁在使用中存在的不足，采用ANSYS 分析軟件，開展了掩護(hù)梁的拓?fù)鋬?yōu)化分析及模型優(yōu)化研究，并對優(yōu)化的模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，理論研究結(jié)果表明，采用此拓?fù)鋬?yōu)化方法所設(shè)計的掩護(hù)梁具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)計更加合理，部件原材料也降低了將近29%，大大降低了企業(yè)的原材料及加工成本，其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯。通過此研究，找到了掩護(hù)梁使用中存在的典型問題，也對掩護(hù)梁的實際生產(chǎn)應(yīng)用及優(yōu)化改進(jìn)提供了重要的理論基礎(chǔ)，所帶來的實際應(yīng)用價值及推廣應(yīng)用價值相當(dāng)顯著。