關于礦用液壓支架結構減重的設計研究

高利霞

（大同煤礦集團機電裝備同吉液壓有限公司， 山西 大同 037000）

引言

近年來，隨著對煤礦的不斷開采，礦用液壓支架作為井下作業過程中支撐保護工作面的支護設備，有效降低或防止了井下坍塌事故的發生[1]。而目前國內液壓支架生產企業為滿足結構強度不惜增加結構重量，導致支架結構生產成本增加，運輸不方便、結構移動緩慢等問題[2]。因此，有必要減輕液壓支架結構重量，開展支架的輕量化設計。

1 礦用液壓支架結構組成

礦用液壓支架作為煤礦環境中的重要設備，對井下工作面起著重要的支撐和防護作用，其結構主要由頂梁、底座、立柱、千斤頂、護幫裝置、前后連桿等主要部件組成[3]，如圖1所示。可實現結構的前后移動，支架的升降和推動其他設備的移動等功能。

圖1 礦用液壓支架結構組成示意圖

根據各主要部件的功能和作用，可將礦用液壓支架分為四部分，即：控制元件、執行元件、承載結構件、輔助裝置。其中，控制元件主要是由隔離閥、控制閥及多種操作閥等閥體組成；液壓支架通過操作閥指揮結構中的其他執行元件，實現液壓支架的不同操作功能。執行元件主要由立柱和不同規格型號的千斤頂等部件組成，其中，立柱是液壓支架的主要執行元件。承載結構件主要由底座、尾梁、頂梁、連桿、掩護梁等部件組成，頂梁用于承受井下頂部圍巖載荷，掩護梁用于防止井下采空區中的碎石落入工作區間內，并承受著來自支撐周邊的載荷。輔助裝置主要由護幫裝置、推移裝置、照明等部件組成，用于實現井下工作環境的輔助功能。

2 液壓支架三維模型建立

根據煤礦井下環境中煤層的地質條件、煤層厚度及采礦要求，采用Solidworks軟件建立了液壓支架的三維模型。考慮后期液壓支架仿真的速度和難度較多，而液壓支架上非關鍵部件對仿真結果影響較小，因此，對液壓支架三維模型進行了簡化，在不改變其整體結構性能的基礎上，建立了包含底座、連桿、頂梁等主要部件的簡化版模型，如圖2所示。

圖2 礦用液壓支架三維模型示意圖

3 液壓支架結構輕量化優化

輕量化設的種類較多，主要包括結構設計的輕量化、制造工藝的輕量化及材料的輕量化，而結構設計輕量化主要包括結構形狀的輕量化[4]。因此，本文將從液壓支架的結構設計輕量化方面進行分析。選用Abaqus軟件，通過設置液壓支架的優化目標、優化變量、約束條件、優化結果，開展了液壓支架結構拓撲優化分析研究。

3.1 優化目標

由于液壓支架在實際工程中，整體結構強度基本滿足工程要求，但其結構較重，本次優化的目的是減輕結構的重量，而在拓撲優化過程中，不能對優化區域內的應力應變進行約束設置，因此，選用能反應整體結構強度的應力作為優化目標，其優化目標函數如式（1）所示：

3.2 優化變量

由于液壓支架特殊的工作環境，結合其結構特點，確定了支架頂梁、拉桿、掩護梁等結構為拓撲優化的優化區域。在優化過程中設置了單元的材料密度取值范圍只能在0～1內，1表示結構不用優化，不用去除，0表示結構可優化，可去除[5]。因此，確定了變量的優化取值范圍為：

3.3 約束條件

由于優化目標為液壓支架的應力，因此，要求其應力取值必須滿足結構材料的強度極限，由前文可知，材料的強度極限為660 MPa，因此，約束支架的應力范圍需不超過660 MPa，即：

3.4 優化結果

由于軟件不能同時分析多種工況下液壓支架的結構，因此，選用了在頂梁偏心加載條件下的液壓支架拓撲優化，通過設置相關參數，開展了頂梁、掩護梁的結構拓撲優化分析。

3.4.1 頂梁優化前后對比

圖3為液壓支架中頂梁優化前后的模型及仿真圖，由圖3-1可知，頂梁柱帽前端中間的左右兩側和柱帽后端的左右兩側的應力集中相對較小，幾乎不受應力，其最大應力主要集中在頂梁的兩側立板和頂梁后端中間部分；頂梁前端雖受力較小，但考慮到整個支架結構特點，僅對頂梁中除前端外的應力集中較小的區域進行結構拓撲優化，去除非重要材料，形成了如圖3-2所示的優化后頂梁模型。優化的頂梁模型具有更合理的結構布局，且整體結構重量更輕，結構用材更少，有效提高了液壓支架的結構性能，節約了企業的生產成本。

3.4.2 掩護梁優化前后對比

圖4為液壓支架中掩護梁優化前后的模型及仿真圖，由圖4-1可知，掩護梁的前端及中端呈現較大的應力集中現象，主要分布在掩護梁中間區域，且應力分布不均勻，而掩護梁的后端左右兩側應力集中現象更小，其結構強度的高低對掩護梁結構影響不大。因此，對掩護梁中應力集中較小的區域進行拓撲優化分析，去除了該區域非承力部位的材料，得到了如圖4-2所示的掩護梁結構拓撲優化后的模型圖。優化后的掩護梁結構在滿足工程使用強度要求條件下具有更輕的結構重量，且用料較少，結構布局更加合理，有效降低了企業產品生產成本。

圖3 頂梁拓撲優化前后對比圖

圖4 掩護梁拓撲優化前后對比圖

4 結論

優化后的液壓支架頂梁和掩護梁在滿足工程實際使用強度條件下，結構分布更加合理，結構用料更少且重量更輕，有效降低企業了產品生產成本，方便了產品的運輸。該研究對企業開展液壓支架的結構優化設計研究提供了理論指導，對提高企業產品的競爭力和增加企業經濟收益具有重要意義。