張放 靳予記

鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院 河南省鄭州市 450000

1 引言

隨著我國工業(yè)4.0的提出，煤炭開采作為我國重要的工業(yè)，如何在安全的前提下提高煤炭開采效率，促進我國經(jīng)濟發(fā)展成為亟待解決的問題。液壓支護設(shè)備作為煤炭開采的保護傘，研究液壓支架的性能參數(shù)，提高煤炭開采效率成為重要任務(wù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，計算機已應(yīng)用于各行各業(yè)，計算機仿真技術(shù)已應(yīng)用與液壓支護設(shè)備的研究當(dāng)中，并對液壓支架參數(shù)的修正起到重要的作用。

2 液壓支架的研究現(xiàn)狀

我國在20世紀(jì)70年的開始研究液壓支架技術(shù)，該技術(shù)的興起促進我國煤炭行業(yè)的迅速發(fā)展，大概10年的時間內(nèi)，液壓支架在綜采設(shè)備中已經(jīng)占據(jù)了重要的地位，為煤炭安全的開采提供了重要的保障。90年代之后，液壓支護設(shè)備迅速發(fā)展，主要是對液壓設(shè)備參數(shù)、性能及可靠性等方面進行研究。1991年，我國北京煤礦機械廠研制出第一套電液控制的液壓支架，在該液壓支架的基礎(chǔ)上進行改進，在隨后的5年內(nèi)開發(fā)出第二代電液控制系統(tǒng)，并且在井下工業(yè)試驗成功，驗證了該項技術(shù)的性能、科技成果的巨大發(fā)現(xiàn)。從此液壓支架、采煤機、輸送機三機器聯(lián)動開啟全面自動化研制階段。1994年，西安礦業(yè)學(xué)院簡述了液壓支架技術(shù)和CAD技術(shù)相結(jié)合的研究現(xiàn)狀，闡述液壓支架研究的理論研究、計算機繪圖在液壓支架研究做出的巨大貢獻，并對兩者之間的發(fā)展指出了4個方向，給未來液壓支架的研究奠定了基礎(chǔ)[1]。2007年，北京礦業(yè)大學(xué)孫文針對當(dāng)前所興起的虛擬樣機技術(shù)，提出該技術(shù)在液壓支架方面的應(yīng)用的觀點，并對虛擬樣機技術(shù)在液壓支護設(shè)備的應(yīng)用前景進行了展望[2]。2011年煤炭科學(xué)研究院張志清對國內(nèi)外液壓支架試驗臺的研究現(xiàn)狀、前景進行了詳細的敘述，并對未來的發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和分析，為試驗臺的設(shè)計和開發(fā)提供了重要的參考價值[3]。2017年，中原工學(xué)院劉芳對液壓支架進行計算分析驗證了液壓系統(tǒng)設(shè)計的合理性，并通過增加液壓管道路徑，提高了液壓支架的平移的速度大小，用AMESIM建立仿真實際工況的模型，進一步驗證了該設(shè)計的合理性[4]。2021年，陳黎運用AMESim軟件建立液壓控制回路模型，研究調(diào)節(jié)控制元件的參數(shù)對動態(tài)性能的影響，證明增大排量、減小內(nèi)部壓力沖擊頻率可以提高液壓缸的平穩(wěn)性[5]。2021年，中國礦業(yè)大學(xué)的李偉以煤礦意外坍塌事故為出發(fā)點，研究液壓支架橫梁的受力變化，找到受損嚴重部位，并才有數(shù)值仿真進行模擬分析，由應(yīng)力云圖和變形云圖得到受載點，為液壓支架強度設(shè)計奠定基礎(chǔ)[6]。2022年，崔擁軍液壓葉支架的推移裝置及逆行手里狀況和工作性能分析，指出再復(fù)雜多變受力下其破壞比較嚴重，為后續(xù)液壓支架推移裝置的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持[7]。

3 數(shù)值仿真技術(shù)在液壓支架的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代開始諸多學(xué)者和研究人員開始將三維建模、數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用到液壓支架方面的研究，利用有限元技術(shù)完成液壓支架關(guān)鍵部位的受力分析，得出載荷作用下液壓支架的薄弱點，進而進行對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提高液壓支架的安全性能。2008年，中國礦業(yè)大學(xué)臧峰提出液壓支架參數(shù)模塊化的概念，對液壓支架系統(tǒng)進行模塊化劃分，利用Pro/E技術(shù)研究液壓支架自動裝配方法、相關(guān)約束，模擬完成液壓支架自動裝配[8]。2017年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)劉希福為了研究短采工作面的安全性和生產(chǎn)效率，建立圍巖結(jié)構(gòu)模型，建立行走式液壓支架支護狀態(tài)下的動力數(shù)學(xué)模型，用Soildworks和ADAMS軟件技術(shù)建立虛擬樣機模型，基于實際工況仿真研究液壓支架的性能參數(shù)，并完善了液壓支架的控制方法，同時為液壓支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了重要的依據(jù)[9]。2018年，安徽理工大學(xué)王成軍等人在三自由度基礎(chǔ)上，在實際工況下，用Workbench軟件建立液壓支架的支撐機構(gòu)的仿真模型，得到實際工況下所需要的參數(shù)，證明在三個方向上都具有很好的卸載能力，同時提高支護設(shè)備的穩(wěn)定性和支撐能力[10]。2019年，安徽理工大學(xué)蘇榮海為了研究液壓支架的穩(wěn)定性和安全性，采用并聯(lián)機構(gòu)解決高精密、高承載的問題，基于理論基礎(chǔ)上設(shè)計兩款新型的并聯(lián)液壓支架。用動力學(xué)軟件ADAMS完成并聯(lián)機構(gòu)的運動模型，用有限元Workbench軟件建立圍巖的耦合模型，對其剛度、強度等相關(guān)可靠性參數(shù)分析，并將Solid works建立的液壓支架的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中進行運動學(xué)分析，獲得各項運動學(xué)參數(shù)。后期對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，完成關(guān)鍵零部件的改進設(shè)計，提高了剛度和承載能力[11]。2020年，西安科技大學(xué)郭博洋建立采煤機截割、支護等三維模型，再用Stateflow進行仿真，分析出綜采自動化下的工藝，進而實現(xiàn)生產(chǎn)、成本的最優(yōu)方案，實現(xiàn)了采煤機和支護設(shè)備的最佳配合方案實現(xiàn)了安全生產(chǎn)[12]。2021年，東北大學(xué)韓晨怡為研究液壓支架頂梁強度特性建立液壓支架整機的三維模型，在底座設(shè)置不同的約束邊界，結(jié)果表明加載載荷的不對稱導(dǎo)致底座接觸不完全，并指出試驗結(jié)果和仿真結(jié)果相接近的方法，為液壓支架應(yīng)力方面的研究提供數(shù)據(jù)支持[13]。

4 液壓支架參數(shù)優(yōu)化研究

隨著數(shù)值仿真技術(shù)在液壓支架方面的研究與應(yīng)用，煤礦機械采用聯(lián)合仿真技術(shù)對液壓支參數(shù)優(yōu)化研究是失分重要的，對液壓支架機械結(jié)構(gòu)、參數(shù)大小等相關(guān)因素進行優(yōu)化設(shè)計，進而達到提高煤炭開采率，提高液壓支架的性能，提高井下煤炭開采的安全的目的。液壓支架的主要優(yōu)化結(jié)構(gòu)有：頂梁、回撤設(shè)備、底座、伸縮護幫結(jié)構(gòu)等采用有限元仿真，得到應(yīng)力云圖，進而得到結(jié)構(gòu)危險位置，再進行優(yōu)化設(shè)計獲得強度安全、工作穩(wěn)定結(jié)構(gòu)合理的液壓支護設(shè)備。

2007年，河北工程大學(xué)崔漢濤對液壓支架的結(jié)構(gòu)、形狀，研究結(jié)構(gòu)的演變技術(shù)，完成新型液壓支架的設(shè)計。用pro/e軟件完成垂直導(dǎo)桿型液壓支架整機模型的建立，以減少整機模型的重量為設(shè)計目標(biāo)，使頂梁在設(shè)計中重量減少19%，采用現(xiàn)代技術(shù)完成整體的設(shè)計，給以后的液壓支架的設(shè)計提供了參數(shù)依據(jù)[14]。2008年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)劉文武為了研究高產(chǎn)高效的采煤生產(chǎn)目標(biāo)，對四連桿液壓支架進行系統(tǒng)分析，以VB為開發(fā)平臺，編輯液壓支架放頂煤的受力情況、運動情況，再用有限元模型完成結(jié)構(gòu)強度驗證，完成頂梁箱體的優(yōu)化[15]。2011年，鄭州大學(xué)姚向豫以提高經(jīng)濟效益為目的，以液壓支架為分析原型，用pro/e建立各個零部件的三維模型，完成裝配模型。完成之后利用干涉模型檢查該裝配的合理性。再將掩護梁零件導(dǎo)入到有限元中，得到其應(yīng)力、應(yīng)變模型，再建立數(shù)字優(yōu)化模型之后完成該零部件的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時液壓支架的重量減少了6%左右，設(shè)計一套現(xiàn)代的液壓支架設(shè)備[16]。2014年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)朱天龍針對液壓支架耗材多、體積大、笨重等缺陷，以掩護式液壓支架為原型，對液壓支架的關(guān)鍵零部件頂梁進行優(yōu)化設(shè)計仿真。采用三維軟件SolidWorks完成液壓支架的整體模型的創(chuàng)建，運用ANSYS完成靜力強度分析，找到頂梁承載力薄弱點，并通過添加筋厚和數(shù)量的方法解決降低頂梁的承載力力，最終使其重量減少了12%左右[17]。2016年，河北科技大學(xué)崔堅用三維軟件設(shè)計出液壓支架三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，并用經(jīng)典設(shè)計理論對四連桿型的液壓支架進行了優(yōu)化設(shè)計，大大減少了液壓之間參數(shù)設(shè)計的重復(fù)性，并對液壓支護設(shè)備參數(shù)化、系列化提供了重要的依據(jù)。對礦山機械的研發(fā)提供了重要的參考價值[18]。2017年，煤炭總院龐義輝對大采高液壓支架護幫結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，建立簡化的圍巖模型，采用動力學(xué)仿真技術(shù)（ADAMS）進行仿真計算，得到液壓支架千斤頂初期遇到很大的載荷，進而采用“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)，可以有效的抑制破壞體的滑落失穩(wěn)。其護幫力的大小、可靠性均優(yōu)于先前的護幫板與伸縮梁連體結(jié)構(gòu)[19]。2018年，內(nèi)蒙古科技大學(xué)的高耀東、顏鵬賀研究關(guān)于四桿機構(gòu)的尺寸嚴重影響液壓支架的工作性能，利用有限元軟件ANSYS對液壓支架仿真，通過各個構(gòu)件的運動學(xué)參數(shù)進行特性分析，并針對薄弱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計分析，減少了液壓支架的重量，提高其本結(jié)構(gòu)的性能，并且分析結(jié)果也可以用在對液壓支架的評價方面，證明了有限元ANSYS在液壓支架方面運動學(xué)仿真和優(yōu)化方案的可行性[20]。2019年，河南工程學(xué)院劉軍對液壓支架掩護梁的可靠性進行有限元仿真，在確保掩護梁安全的基礎(chǔ)之上，進行應(yīng)力約束，改善了掩護梁的壓力，并對其結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減少。將可靠性技術(shù)和仿真技術(shù)進行有效的結(jié)合，為后續(xù)液壓支架的研究提供了新的方面[21]。2020年，遼寧工程技術(shù)大學(xué)劉歡為研究液壓支架抗沖擊性能，采用遺傳算法對直紋管尺寸進行優(yōu)化，設(shè)計出一組新的直紋管尺寸，并采用有限元技術(shù)驗證了該尺寸的直紋管尺寸的可行性[22]。2021年，沈陽工業(yè)大學(xué)王鑫昊對液壓支架的回撤設(shè)備整體結(jié)構(gòu)分析，針對于目前液壓支架回撤設(shè)備尺寸過大、運輸困難等主要問題，復(fù)雜煤層的環(huán)境下，采用Solid Works完成三維模型的建立，用ANSYS對回撤設(shè)備靜力強度分析，并驗證了該結(jié)構(gòu)的合理性[23]。

5 結(jié)論與展望

本文綜述了液壓支護設(shè)備-液壓支架的研究現(xiàn)狀、數(shù)值仿真技術(shù)在液壓支架方面的應(yīng)用以及采用聯(lián)合仿真技術(shù)對液壓支架重要的結(jié)構(gòu)進行強度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面的研究進行了闡述。但是液壓支架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所處的開采環(huán)境更為復(fù)雜，目前煤炭開采的安全問題依舊是重要問題，液壓支架進行多方面的研究與改進依舊是專家學(xué)者的研究方向，還應(yīng)對一下兩個方面進行研究：

（1）液壓支架工作環(huán)境比較復(fù)雜，需要將振動、溫度、應(yīng)力等相關(guān)測試技術(shù)相結(jié)合，對液壓支護設(shè)備進行綜合分析，可以獲得準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。

（2）將數(shù)值仿真技術(shù)和試驗臺相結(jié)合，研究影響液壓支架的重要參數(shù)及結(jié)構(gòu)。才有pro/E進行三維建模，MATLAB軟件進行載荷的數(shù)據(jù)處理，在有限元ANSYS中進行強度分析，最后利用實驗臺進行實際結(jié)構(gòu)的驗證，使實驗結(jié)構(gòu)更具有可靠性。