淺析煤礦用液壓支架的輕量化設計

邵靈敏++張志遠

[摘 ?要]對于我國煤礦開采工作來說，液壓支架是這一工作展開的關(guān)鍵設備之一，其不僅直接關(guān)系著煤礦開采作業(yè)的安全，更直接影響采煤綜合效率。在筆者的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，兩柱掩護式液壓支架是我國煤礦開采中應用最多的液壓支架，其本身具備著結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，而為了進一步提高這一液壓支架的實用性，本文就兩柱掩護式液壓支架的輕量化設計進行了具體研究，希望能夠在降低其本身生產(chǎn)成本、制造周期的同時，提高這一支架的綜合性能。

[關(guān)鍵詞]液壓支架 ?煤礦用 ?輕量化

中圖分類號：TD355.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）24-0107-01

前言：在我國當下及今后的很長一段時間，煤炭都將是我國工業(yè)生產(chǎn)與日常生活的主要能源，為此我國煤炭開采業(yè)就必須不斷升級自身的開采技術(shù)與開采設備。在本文的研究中，筆者致力于實現(xiàn)兩柱掩護式液壓支架的輕量化發(fā)展，并希望能夠以此為我國煤炭開采提供較為有力的支持。

1.煤礦用液壓支架概述

為了能夠?qū)γ旱V用液壓之間進行較好的輕量化設計，我們首先就需要深入了解液壓支架，結(jié)合相關(guān)文獻資料筆者將煤礦用液壓支架定義為“控制采煤工作面所受的礦山壓力，支護礦井頂板，隔離采空區(qū)阻擋矸石進入工作面，保障安全的工作空間，并能推移其他綜采設備的煤炭綜采工作面配套的支護設備”[1]。

對于煤礦用液壓支架來說，其主要由承載結(jié)構(gòu)件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助裝置等四大部分組成，這一部分劃分主要依據(jù)各部分的不同功能與作用。具體來說，在煤礦用液壓支架的承載結(jié)構(gòu)件中，其主要由底座、連桿、尾梁、頂梁、掩護梁以及護幫裝置等具體部件組成，承載結(jié)構(gòu)件屬于這一煤礦用液壓支架的主要機械結(jié)構(gòu);而執(zhí)行元件這一部分，其主要包括立柱和其他各種千斤頂，這一部分在整個煤礦用液壓支架中發(fā)揮輔助效用;而在控制元件部分中，這一部分主要包括液壓系統(tǒng)控制閥、隔離閥以及各種操縱閥;而輔助裝置部分則主要包括護幫裝置、擋矸裝置、推移裝置、復位裝置、照明裝置、噴霧裝置、防倒防滑裝置等[2]。

2.液壓支架輕量化設計

2.1 煤礦用液壓支架的拓撲優(yōu)化

所謂煤礦用液壓支架的拓撲優(yōu)化，指的是在結(jié)構(gòu)設計區(qū)域計算出最佳的形狀以及最優(yōu)的材料分布，以此實現(xiàn)輕量化設計的一種優(yōu)化設計方式，這一優(yōu)化具備著設計自由度與設計空間較大的優(yōu)點，這也使得這種設計的輕量化效果較為明顯，其本身具備著發(fā)展前景廣闊但受當下制造工藝制約的特點。

2.1.1優(yōu)化目標

在本文所進行的煤礦用液壓支架拓撲優(yōu)化中，筆者選擇了有限元軟件Abaqus，這一軟件是這類問題計算最為準確的軟件之一，結(jié)合這一軟件筆者就將對兩柱掩護式液壓支架進行具體的拓撲優(yōu)化，以此實現(xiàn)這一煤礦用液壓支架的輕量化設計追求。在這一優(yōu)化過程中，我們首先需要確定這一優(yōu)化的目標，即支架

整體應力最小，這樣我們就可以得到優(yōu)化目標函數(shù)。

2.1.2優(yōu)化變量

在確定這一煤礦用液壓支架的拓撲優(yōu)化目標后，我們還需要確定其優(yōu)化變量，這一優(yōu)化變量主要包括支架的結(jié)構(gòu)特點、生產(chǎn)特點、選取頂梁的下表面中部、掩護梁的下表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)為拓撲優(yōu)化區(qū)域等方面，由此我們就可以得到優(yōu)化變量的取值范圍：“”[3]。

2.1.3約束條件

在這一煤礦用液壓支架的拓撲優(yōu)化的變量確定后，我們還需要確定這一優(yōu)化的約束條件，即應力約束與體積約束兩個部分，結(jié)合筆者查找的相關(guān)權(quán)威文獻資料，筆者認為約束支架整體結(jié)構(gòu)的應力不超過660MPa，而約束優(yōu)化后體積最大為原始體積的0.96倍，結(jié)合這些信息，我們就能夠得出體積約束的約束條件為，應力約束的條件為。

2.1.4優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合Abaqus有限元軟件得出了如圖1所示的支架新建網(wǎng)絡模型。

為了驗證這一最終得出的支架新建網(wǎng)絡模型的整體性能，筆者對這一模型的支架強度分析各工況的最大應力值進行了分析，這一分析得出了優(yōu)化后支架各工況的最大應力值仍在極限范圍內(nèi)，而其本身質(zhì)量降低了1.0046×103Kg，由此我們能夠得出這一拓撲優(yōu)化在保證液壓支架性能的同時使得兩柱掩護式液壓支架實現(xiàn)了3.018%的輕量化。

2.2 煤礦用液壓支架的尺寸優(yōu)化

除了拓撲優(yōu)化外，我們還可以通過尺寸優(yōu)化的方式完成兩柱掩護式液壓支架的輕量化設計，這一設計筆者選擇了Hyper Mesh與Hyper Study軟件進行聯(lián)合優(yōu)化，首先筆者確定了的優(yōu)化目標，這一目標的方向是液壓支架整體質(zhì)量最小。而在優(yōu)化變量的選擇中，筆者主要對煤礦用液壓支架的頂梁、掩護梁、連桿、底座等部件進行了支架優(yōu)化設計變量的選取范圍總結(jié)，而結(jié)合上文中拓撲優(yōu)化相同的約束條件，我們就能夠在Hyper Mesh軟件中設置好參數(shù)，通過同時使用Abaqus求解器進行計算，得出這一煤礦用液壓支架的尺寸優(yōu)化結(jié)果，同樣介于篇幅原因這里不對這一結(jié)果進行詳細描述，但將這一結(jié)果與尺寸優(yōu)化前的液壓支架進行對比，我們?nèi)耘f能夠發(fā)現(xiàn)液壓支架的最大應力值處于材料的強度極限范圍內(nèi)，而這一尺寸優(yōu)化使得兩柱掩護式液壓支架的重量減輕了0.7244×103Kg，由此我們能夠得出這一尺寸優(yōu)化在保證液壓支架性能的同時使得兩柱掩護式液壓支架實現(xiàn)了2.244%的輕量化。

2.3 拓撲優(yōu)化與尺寸優(yōu)化相結(jié)合

結(jié)合上文中我們對兩柱掩護式液壓支架進行的拓撲優(yōu)化與尺寸優(yōu)化，我們能夠清楚的發(fā)現(xiàn)這兩種優(yōu)化的輕量化數(shù)值分別為3.018%與2.244%，這一輕量化結(jié)果顯然不能夠較好的滿足我們需求，為此筆者對這一兩柱掩護式液壓支架先后進行了拓撲優(yōu)化與尺寸優(yōu)化，這一優(yōu)化使得兩柱掩護式液壓支架的重量降低了1.729×103Kg，這表明了這一拓撲優(yōu)化與尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方式使得兩柱掩護式液壓支架的輕量化達到了5.195%，而這一優(yōu)化后支架材料強度范圍仍舊符合規(guī)定，由此我們就能夠得出這一輕量化設計已經(jīng)能夠用于兩柱掩護式液壓支架實際生產(chǎn)的結(jié)論。

結(jié)論：在本文進行的煤礦用液壓支架輕量化設計中，筆者先后對兩柱掩護式液壓支架進行了拓撲優(yōu)化與尺寸優(yōu)化，并最終通過兩種優(yōu)化結(jié)合的方式較好的實現(xiàn)了煤礦用液壓支架的輕量化設計，這一設計由于經(jīng)過了數(shù)據(jù)驗證，具備著較高的可行性，筆者認為其能夠在一定程度上推動我國煤礦用液壓支架輕量化的相關(guān)發(fā)展。

參考文獻：

[1]周謙.ZY10000/22/45D礦用液壓支架液壓系統(tǒng)的設計與仿真[D].西安科技大學，2014.

[2]張燕.豐田生產(chǎn)方式在液壓支架總裝線上的應用[D].西安科技大學，2014.

[3]羅兵.淺談煤礦用液壓支架的設計制造要點[J].科技創(chuàng)新導報，2012，15：67.

作者簡介：

邵靈敏（1983.03--）;性別：女，籍貫：山東濰坊人，學歷：本科，畢業(yè)于南昌航空大學;現(xiàn)有職稱：中級工程師;研究方向：煤礦機械;

第二作者 姓名：張志遠（1983.02--）;性別：男