放頂煤超靜定液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張國斌

（西山煤電集團(tuán)公司機(jī)電廠， 山西 太原 030000）

引言

放頂煤超靜定液壓支架是一種隨著放頂煤開采而得到廣泛應(yīng)用的放頂煤工作面液壓支護(hù)設(shè)備，其工作的可靠性和安全性直接決定了放頂煤開采的效率，但目前超靜定液壓支架也存在著頂梁結(jié)構(gòu)重量大，使用時(shí)收撤困難，可靠性差的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響著放頂煤綜采的安全性[1]，因此迫切需要采用新的技術(shù)對放頂煤超靜定液壓支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和支護(hù)安全的條件下降低整體重量，提高使用時(shí)的可靠性和安全性。

1 放頂煤超靜定液壓支架簡述

放頂煤超靜定液壓支架是在傳統(tǒng)的八柱式液壓支架的基礎(chǔ)上將后側(cè)的連接板和尾梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)為放煤的部位，實(shí)現(xiàn)放頂煤的功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

2 液壓支架的三維建模及有限元分析

利用CREO三維建模軟件建立液壓支架的三維模型，并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench仿真軟件中，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時(shí)為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用了根據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)重要程度來控制網(wǎng)格單元的劃分，網(wǎng)格劃分完成后共劃分單元格124 452個(gè)，共有241 623個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

本文對超靜定液壓支架在放頂煤開采時(shí)最常見的頂梁單側(cè)偏載、底座兩端集中載荷受力情況進(jìn)行仿真分析，根據(jù)《煤礦用液壓支架第1部分：通用技術(shù)條件》中的規(guī)定，在進(jìn)行仿真分析載荷加載時(shí)，按照1.2倍的工作阻力情況進(jìn)行載荷的加載，根據(jù)液壓支架受力的實(shí)際情況，載荷加載情況可表示為[3]：F水平=1.2F阻力·sin43.5°=1.2×2111.32kN×0.6883=1 744 kN，F(xiàn)垂直=1.2F阻力·cos43.5°=1.2×2 111.32 kN×0.725 3=1 837 kN。

圖1 放頂煤超靜定液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 放頂煤超靜定液壓支架有限元模型

對超靜定液壓支架進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3—圖5所示。

圖3為超靜定液壓支架在受單側(cè)偏載、底座兩端集中載荷受力情況下整體的應(yīng)力云圖和位移云圖，可以看出液壓支架上最大的應(yīng)力約為471.01 MPa，其最大的應(yīng)力位于支架尾部的千斤頂與活塞桿的銷接頭處，該處主要是在偏載載荷情況下銷接頭處的應(yīng)力集中導(dǎo)致的。

圖3 液壓支架整體受力應(yīng)力及位移云圖

圖4 液壓支架頂梁受力應(yīng)力（MPa）云圖

圖5 液壓支架頂梁受力（MPa）剖視圖

圖4為超靜定液壓支架在受單側(cè)偏載、底座兩端集中載荷受力情況下，超靜定液壓支架頂梁的受力情況，分析可知，液壓支架頂梁處的最大應(yīng)力出現(xiàn)在墊塊和頂梁接觸的位置，其最大應(yīng)力約為457.87 MPa，且該處的面積極小，該處受力點(diǎn)側(cè)出現(xiàn)主要是由于設(shè)置約束時(shí)引起的應(yīng)力集中，對液壓支架頂梁強(qiáng)度的影響較小。為了準(zhǔn)確判斷頂梁內(nèi)的應(yīng)力分布狀況，采用了將頂梁進(jìn)行刨切的方案，如圖5所示，頂梁橫筋板上的應(yīng)力已經(jīng)超過了頂梁鋼板屈服強(qiáng)度的極限值，在使用時(shí)極易發(fā)生破壞，因此需對該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 Matlab優(yōu)化遺傳算法

遺傳算法本質(zhì)上是一種高效、并行、全局搜索的新的算法工具，其能夠在搜索過程中不斷的獲取并積累有關(guān)搜索空間的相關(guān)知識(shí)，并自適應(yīng)控制搜索的過程用以求得最后的答案。Matlab遺傳算法工具箱是一種將Matlab計(jì)算與遺傳優(yōu)化算法進(jìn)行有效結(jié)合的新的優(yōu)化功能模塊，其具有應(yīng)用簡單、方便，支持?jǐn)?shù)據(jù)量大，優(yōu)化結(jié)果方便的特點(diǎn)。根據(jù)以上仿真分析結(jié)果，液壓支架的頂梁在使用過程中結(jié)構(gòu)較弱，易出現(xiàn)事故，因此利用優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念，將頂梁斷面筋條的尺寸作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

4 超靜定液壓支架頂梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用Matlab遺傳算法工具箱，將編寫完成的優(yōu)化邏輯程序輸入控制系統(tǒng)，并對優(yōu)化遺傳算法進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后即可進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化分析，為了更好地體現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，本文對頂梁肋板厚度分別設(shè)置為 12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，然后分別對其進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化，結(jié)果如表1所示。

表1 遺傳算法優(yōu)化結(jié)果

為了有效降低頂梁的橫截面積，肋板的厚度理論上來說是越小越好，但為確保頂梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其肋板厚度有一個(gè)下限值。同理為了降低頂梁的重量和橫截面積，頂梁的厚度則是越大越好，因在實(shí)際工作中受到邊界條件的限制，頂梁的實(shí)際厚度并不能隨意增加，在系統(tǒng)設(shè)定的肋板厚度最小的情況下，每次的優(yōu)化都能使頂梁厚度達(dá)到最大的理論值。由此可知，雖然增加頂梁的厚度能夠降低頂梁的橫截面積，但同時(shí)隨著頂梁厚度的增加會(huì)相應(yīng)的降低液壓支架工作時(shí)的伸縮比，因此，在滿足使用強(qiáng)度要求的前提下，利用適當(dāng)增加頂梁厚度并降低肋板厚度的方案能有效提高液壓支架頂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并能降低頂梁的截面積，優(yōu)化后的頂梁參數(shù)如表2所示。

表2 頂梁優(yōu)化前后對比

由分析可知，優(yōu)化后在頂梁結(jié)構(gòu)滿足使用強(qiáng)度要求的前提下所需材料減少了約9%。

5 結(jié)論

液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，其整體材料的用量降低了9.1%，極大地提升了放頂煤超靜定液壓支架的結(jié)構(gòu)可靠性和使用成本，具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。