煤矿井下综采液压支架底座结构的优化设计

2021-06-05康国俊

机械管理开发 2021年4期

康国俊

（西山煤电集团公司铁路公司，山西太原 030053）

引言

随着煤炭综采技术的不断进步，煤炭综采时的作业深度不断增加，这就对井下综采作业时的支护安全性提出了更高的要求。液压支架作为井下支护的核心，其工作时的稳定性和安全性直接关系到了煤矿井下综采作业的安全，特别是随着井下充填综采作业技术的不断应用，综采液压支架的应用范围不断加大，给煤矿井下综采作业的安全性提出了更高的要求[1]。为了提升井下综采作业的安全性，本文对液压支架工作时底座受力情况进行分析，并对其进行仿真研究，针对性地提出了结构优化措施，在满足支护结构强度要求的情况下极大地降低了底座的重量和制造成本，有效提升了支护作业时液压支架的支护稳定性和收撤作业的效率，具有极大的应用推广意义。

1 液压支架三维模型建立及边界条件建立

利用Creo三维建模软件建立液压支架整体的三维结构模型，其结构如图1所示。

液压支架在工作过程中受力的变化较大，作用在液压支架上的力主要包括了垂直阻力、水平阻力及顶板围岩作用下产生的力，同时还包括了围岩变形而导致作用在底座上的力产生偏距，根据分析，确定在本文对液压支架作用力进行边界条件设置时，选择了液压支架井下支护作业时最危险的支护工况，即液压支架受偏载作用时的工况[2]。液压支架井下支护作业时其最大的工作阻力约为9 000 kN，同时根据井下实测数据，设置仿真分析时液压支架的边界条件控制参数如表1所示。

图1 液压支架三维仿真结构示意图

表1 液压支架仿真分析参数汇总表

2 液压支架受力仿真分析

液压支架在受偏载作用下底座的受力情况如图2所示。

图2 液压支架底座应力（MPa）云图

由仿真分析结果可知，当在液压支架偏载载荷作用下，其底座的应力主要集中在液压支架的主肋板上，高应力集中在底部和垫块相连接的C位置处，其最大的应力约为793.55 MPa。

此工况下液压支架底座的变形云图如图3所示。

图3 液压支架底座变形（mm）云图

由图3可知，此工况下液压支架底座的最大变形量出现在底座的尾部垫块端部C的位置，最大形变约为8.29 mm，在液压支架的底座上两个垫块之间的主筋板之间的位置也有一定的变形量，其形变约为3.89 mm，底座上各位置的形变呈现了逐渐增加的趋势。

3 液压支架底座结构优化方案

由于液压支架的底座主要是由上盖板、下盖板以及各种加强筋构成的一种箱胆式结构，因此将液压支架底座的主筋板作为设计变量，将液压支架的底座变形量、最大应力以及液压支架的底座作为目标变量[3]，如表2所示。

表2 液压支架底座目标优化参数

在进行优化设计时，采用目标驱动优化的方案，以目标函数为基础，通过改变设计变量来获取不同情况下目标函数的对应数值，然后从中选择最佳的目标变量，并获取此时的设计变量作为底座优化设计的基础。

通过对液压支架底座上各设计变量对目标参数变化情况影响的敏感度的分析，可知液压支架底座的应力、应变以及质量对于地质的主筋板厚度以及底座底板的厚度的影响最为敏感，因此根据液压支架的支护可靠性研究[4]，应以降低液压支架底座支护时的最大应力为优先目标，然后分别降低底座的重量，减少底座的变形，按此设定自动优化分析后系统自动生成满足设计要求的样本参数。优化后的底座结构参数如表3所示。

表3 优化后底座结构参数对比

优化后的液压支架底座的应力分布如图4所示，其应变分布如图5所示。

图4 优化后液压支架底座的应力（MPa）云图

图5 优化后液压支架底座的变形（mm）云图

由分析结果可知，优化后液压支架底座的最大应力约为575.92 MPa，比优化前降低了约27.42%，其最大应变由优化前的8.92 mm降低到了优化后的1.31 mm，降低了约85.3%，液压支架底座的质量由最初的5 024.3 kg降低到了目前的4 967.62 kg，降低了约1.2%，由此利用仿真分析的方法对该液压支架底座结构的全面优化达到了优化目的。