关于矿用液压支架结构减重的设计研究

2018-11-28高利霞

机械管理开发 2018年11期

高利霞

（大同煤矿集团机电装备同吉液压有限公司，山西大同 037000）

引言

近年来，随着对煤矿的不断开采，矿用液压支架作为井下作业过程中支撑保护工作面的支护设备，有效降低或防止了井下坍塌事故的发生[1]。而目前国内液压支架生产企业为满足结构强度不惜增加结构重量，导致支架结构生产成本增加，运输不方便、结构移动缓慢等问题[2]。因此，有必要减轻液压支架结构重量，开展支架的轻量化设计。

1 矿用液压支架结构组成

矿用液压支架作为煤矿环境中的重要设备，对井下工作面起着重要的支撑和防护作用，其结构主要由顶梁、底座、立柱、千斤顶、护帮装置、前后连杆等主要部件组成[3]，如图1所示。可实现结构的前后移动，支架的升降和推动其他设备的移动等功能。

图1 矿用液压支架结构组成示意图

根据各主要部件的功能和作用，可将矿用液压支架分为四部分，即：控制元件、执行元件、承载结构件、辅助装置。其中，控制元件主要是由隔离阀、控制阀及多种操作阀等阀体组成；液压支架通过操作阀指挥结构中的其他执行元件，实现液压支架的不同操作功能。执行元件主要由立柱和不同规格型号的千斤顶等部件组成，其中，立柱是液压支架的主要执行元件。承载结构件主要由底座、尾梁、顶梁、连杆、掩护梁等部件组成，顶梁用于承受井下顶部围岩载荷，掩护梁用于防止井下采空区中的碎石落入工作区间内，并承受着来自支撑周边的载荷。辅助装置主要由护帮装置、推移装置、照明等部件组成，用于实现井下工作环境的辅助功能。

2 液压支架三维模型建立

根据煤矿井下环境中煤层的地质条件、煤层厚度及采矿要求，采用Solidworks软件建立了液压支架的三维模型。考虑后期液压支架仿真的速度和难度较多，而液压支架上非关键部件对仿真结果影响较小，因此，对液压支架三维模型进行了简化，在不改变其整体结构性能的基础上，建立了包含底座、连杆、顶梁等主要部件的简化版模型，如图2所示。

图2 矿用液压支架三维模型示意图

3 液压支架结构轻量化优化

轻量化设的种类较多，主要包括结构设计的轻量化、制造工艺的轻量化及材料的轻量化，而结构设计轻量化主要包括结构形状的轻量化[4]。因此，本文将从液压支架的结构设计轻量化方面进行分析。选用Abaqus软件，通过设置液压支架的优化目标、优化变量、约束条件、优化结果，开展了液压支架结构拓扑优化分析研究。

3.1 优化目标

由于液压支架在实际工程中，整体结构强度基本满足工程要求，但其结构较重，本次优化的目的是减轻结构的重量，而在拓扑优化过程中，不能对优化区域内的应力应变进行约束设置，因此，选用能反应整体结构强度的应力作为优化目标，其优化目标函数如式（1）所示：

3.2 优化变量

由于液压支架特殊的工作环境，结合其结构特点，确定了支架顶梁、拉杆、掩护梁等结构为拓扑优化的优化区域。在优化过程中设置了单元的材料密度取值范围只能在0～1内，1表示结构不用优化，不用去除，0表示结构可优化，可去除[5]。因此，确定了变量的优化取值范围为：

3.3 约束条件

由于优化目标为液压支架的应力，因此，要求其应力取值必须满足结构材料的强度极限，由前文可知，材料的强度极限为660 MPa，因此，约束支架的应力范围需不超过660 MPa，即：

3.4 优化结果

由于软件不能同时分析多种工况下液压支架的结构，因此，选用了在顶梁偏心加载条件下的液压支架拓扑优化，通过设置相关参数，开展了顶梁、掩护梁的结构拓扑优化分析。

3.4.1 顶梁优化前后对比

图3为液压支架中顶梁优化前后的模型及仿真图，由图3-1可知，顶梁柱帽前端中间的左右两侧和柱帽后端的左右两侧的应力集中相对较小，几乎不受应力，其最大应力主要集中在顶梁的两侧立板和顶梁后端中间部分；顶梁前端虽受力较小，但考虑到整个支架结构特点，仅对顶梁中除前端外的应力集中较小的区域进行结构拓扑优化，去除非重要材料，形成了如图3-2所示的优化后顶梁模型。优化的顶梁模型具有更合理的结构布局，且整体结构重量更轻，结构用材更少，有效提高了液压支架的结构性能，节约了企业的生产成本。

3.4.2 掩护梁优化前后对比

图4为液压支架中掩护梁优化前后的模型及仿真图，由图4-1可知，掩护梁的前端及中端呈现较大的应力集中现象，主要分布在掩护梁中间区域，且应力分布不均匀，而掩护梁的后端左右两侧应力集中现象更小，其结构强度的高低对掩护梁结构影响不大。因此，对掩护梁中应力集中较小的区域进行拓扑优化分析，去除了该区域非承力部位的材料，得到了如图4-2所示的掩护梁结构拓扑优化后的模型图。优化后的掩护梁结构在满足工程使用强度要求条件下具有更轻的结构重量，且用料较少，结构布局更加合理，有效降低了企业产品生产成本。