康國俊

（西山煤電集團(tuán)公司鐵路公司，山西 太原 030053）

引言

隨著煤炭綜采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤炭綜采時(shí)的作業(yè)深度不斷增加，這就對井下綜采作業(yè)時(shí)的支護(hù)安全性提出了更高的要求。液壓支架作為井下支護(hù)的核心，其工作時(shí)的穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到了煤礦井下綜采作業(yè)的安全，特別是隨著井下充填綜采作業(yè)技術(shù)的不斷應(yīng)用，綜采液壓支架的應(yīng)用范圍不斷加大，給煤礦井下綜采作業(yè)的安全性提出了更高的要求[1]。為了提升井下綜采作業(yè)的安全性，本文對液壓支架工作時(shí)底座受力情況進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行仿真研究，針對性地提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，在滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的情況下極大地降低了底座的重量和制造成本，有效提升了支護(hù)作業(yè)時(shí)液壓支架的支護(hù)穩(wěn)定性和收撤作業(yè)的效率，具有極大的應(yīng)用推廣意義。

1 液壓支架三維模型建立及邊界條件建立

利用Creo三維建模軟件建立液壓支架整體的三維結(jié)構(gòu)模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

液壓支架在工作過程中受力的變化較大，作用在液壓支架上的力主要包括了垂直阻力、水平阻力及頂板圍巖作用下產(chǎn)生的力，同時(shí)還包括了圍巖變形而導(dǎo)致作用在底座上的力產(chǎn)生偏距，根據(jù)分析，確定在本文對液壓支架作用力進(jìn)行邊界條件設(shè)置時(shí)，選擇了液壓支架井下支護(hù)作業(yè)時(shí)最危險(xiǎn)的支護(hù)工況，即液壓支架受偏載作用時(shí)的工況[2]。液壓支架井下支護(hù)作業(yè)時(shí)其最大的工作阻力約為9 000 kN，同時(shí)根據(jù)井下實(shí)測數(shù)據(jù)，設(shè)置仿真分析時(shí)液壓支架的邊界條件控制參數(shù)如表1所示。

圖1 液壓支架三維仿真結(jié)構(gòu)示意圖

表1 液壓支架仿真分析參數(shù)匯總表

2 液壓支架受力仿真分析

液壓支架在受偏載作用下底座的受力情況如圖2所示。

圖2 液壓支架底座應(yīng)力（MPa）云圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)在液壓支架偏載載荷作用下，其底座的應(yīng)力主要集中在液壓支架的主肋板上，高應(yīng)力集中在底部和墊塊相連接的C位置處，其最大的應(yīng)力約為793.55 MPa。

此工況下液壓支架底座的變形云圖如圖3所示。

圖3 液壓支架底座變形（mm）云圖

由圖3可知，此工況下液壓支架底座的最大變形量出現(xiàn)在底座的尾部墊塊端部C的位置，最大形變約為8.29 mm，在液壓支架的底座上兩個(gè)墊塊之間的主筋板之間的位置也有一定的變形量，其形變約為3.89 mm，底座上各位置的形變呈現(xiàn)了逐漸增加的趨勢。

3 液壓支架底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

由于液壓支架的底座主要是由上蓋板、下蓋板以及各種加強(qiáng)筋構(gòu)成的一種箱膽式結(jié)構(gòu)，因此將液壓支架底座的主筋板作為設(shè)計(jì)變量，將液壓支架的底座變形量、最大應(yīng)力以及液壓支架的底座作為目標(biāo)變量[3]，如表2所示。

表2 液壓支架底座目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的方案，以目標(biāo)函數(shù)為基礎(chǔ)，通過改變設(shè)計(jì)變量來獲取不同情況下目標(biāo)函數(shù)的對應(yīng)數(shù)值，然后從中選擇最佳的目標(biāo)變量，并獲取此時(shí)的設(shè)計(jì)變量作為底座優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

通過對液壓支架底座上各設(shè)計(jì)變量對目標(biāo)參數(shù)變化情況影響的敏感度的分析，可知液壓支架底座的應(yīng)力、應(yīng)變以及質(zhì)量對于地質(zhì)的主筋板厚度以及底座底板的厚度的影響最為敏感，因此根據(jù)液壓支架的支護(hù)可靠性研究[4]，應(yīng)以降低液壓支架底座支護(hù)時(shí)的最大應(yīng)力為優(yōu)先目標(biāo)，然后分別降低底座的重量，減少底座的變形，按此設(shè)定自動(dòng)優(yōu)化分析后系統(tǒng)自動(dòng)生成滿足設(shè)計(jì)要求的樣本參數(shù)。優(yōu)化后的底座結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化后底座結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

優(yōu)化后的液壓支架底座的應(yīng)力分布如圖4所示，其應(yīng)變分布如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后液壓支架底座的應(yīng)力（MPa）云圖

圖5 優(yōu)化后液壓支架底座的變形（mm）云圖

由分析結(jié)果可知，優(yōu)化后液壓支架底座的最大應(yīng)力約為575.92 MPa，比優(yōu)化前降低了約27.42%，其最大應(yīng)變由優(yōu)化前的8.92 mm降低到了優(yōu)化后的1.31 mm，降低了約85.3%，液壓支架底座的質(zhì)量由最初的5 024.3 kg降低到了目前的4 967.62 kg，降低了約1.2%，由此利用仿真分析的方法對該液壓支架底座結(jié)構(gòu)的全面優(yōu)化達(dá)到了優(yōu)化目的。

4 結(jié)論

為了提高液壓支架在井下支護(hù)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，降低液壓支架底座的受力變形、傾倒等，提升液壓支架的支護(hù)穩(wěn)定性，本文利用仿真分析軟件對液壓支架底座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：

1）當(dāng)在液壓支架偏載載荷作用下，其底座的應(yīng)力主要集中在液壓支架的主肋板上，高應(yīng)力集中在底部和墊塊相連接的位置處，極易導(dǎo)致液壓支架底座的受力開裂；

2）優(yōu)化后液壓支架底座的最大應(yīng)力比優(yōu)化前降低了約27.42%，其最大應(yīng)變降低了約85.3%，液壓支架底座的重量降低了約1.2%，全面提升了液壓支架底座的整體性能；

3）利用仿真分析加優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案能夠有效地對液壓支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升其工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。