放頂煤超靜定液壓支架的優化設計

張國斌

（西山煤電集團公司機電廠， 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用的放頂煤工作面液壓支護設備，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構重量大，使用時收撤困難，可靠性差的缺點，嚴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對放頂煤超靜定液壓支架結構進行優化，在確保其結構強度和支護安全的條件下降低整體重量，提高使用時的可靠性和安全性。

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的八柱式液壓支架的基礎上將后側的連接板和尾梁結構改進為放煤的部位，實現放頂煤的功能，其結構如圖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，并將其導入到ANSYS Workbench仿真軟件中，對其進行網格劃分，在劃分網格時為了確保分析結果的準確性，采用了根據液壓支架結構重要程度來控制網格單元的劃分，網格劃分完成后共劃分單元格124 452個，共有241 623個節點，如圖2所示。

本文對超靜定液壓支架在放頂煤開采時最常見的頂梁單側偏載、底座兩端集中載荷受力情況進行仿真分析，根據《煤礦用液壓支架第1部分：通用技術條件》中的規定，在進行仿真分析載荷加載時，按照1.2倍的工作阻力情況進行載荷的加載，根據液壓支架受力的實際情況，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構示意圖

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行仿真分析，結果如圖3—圖5所示。

圖3為超靜定液壓支架在受單側偏載、底座兩端集中載荷受力情況下整體的應力云圖和位移云圖，可以看出液壓支架上最大的應力約為471.01 MPa，其最大的應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力集中導致的。

圖3 液壓支架整體受力應力及位移云圖

圖4 液壓支架頂梁受力應力（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力出現在墊塊和頂梁接觸的位置，其最大應力約為457.87 MPa，且該處的面積極小，該處受力點側出現主要是由于設置約束時引起的應力集中，對液壓支架頂梁強度的影響較小。為了準確判斷頂梁內的應力分布狀況，采用了將頂梁進行刨切的方案，如圖5所示，頂梁橫筋板上的應力已經超過了頂梁鋼板屈服強度的極限值，在使用時極易發生破壞，因此需對該處結構進行優化。

3 Matlab優化遺傳算法

遺傳算法本質上是一種高效、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搜索空間的相關知識，并自適應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計算與遺傳優化算法進行有效結合的新的優化功能模塊，其具有應用簡單、方便，支持數據量大，優化結果方便的特點。根據以上仿真分析結果，液壓支架的頂梁在使用過程中結構較弱，易出現事故，因此利用優化設計的概念，將頂梁斷面筋條的尺寸作為優化設計的變量，進行優化設計[4]。

4 超靜定液壓支架頂梁的優化設計

利用Matlab遺傳算法工具箱，將編寫完成的優化邏輯程序輸入控制系統，并對優化遺傳算法進行參數設置，然后即可進行自動優化分析，為了更好地體現優化設計方案，本文對頂梁肋板厚度分別設置為 12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，然后分別對其進行遺傳算法優化，結果如表1所示。

表1 遺傳算法優化結果

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，但為確保頂梁結構的穩定性，其肋板厚度有一個下限值。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，因在實際工作中受到邊界條件的限制，頂梁的實際厚度并不能隨意增加，在系統設定的肋板厚度最小的情況下，每次的優化都能使頂梁厚度達到最大的理論值。由此可知，雖然增加頂梁的厚度能夠降低頂梁的橫截面積，但同時隨著頂梁厚度的增加會相應的降低液壓支架工作時的伸縮比，因此，在滿足使用強度要求的前提下，利用適當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構強度并能降低頂梁的截面積，優化后的頂梁參數如表2所示。

表2 頂梁優化前后對比

由分析可知，優化后在頂梁結構滿足使用強度要求的前提下所需材料減少了約9%。

5 結論

液壓支架頂梁結構優化后，在確保其結構強度的基礎上，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構可靠性和使用成本，具有巨大的社會和經濟效益。