關(guān)于液壓支架結(jié)構(gòu)減重的優(yōu)化設(shè)計

馬超 張敬輝

摘要：液壓支架是煤炭綜采機械化設(shè)備中較為關(guān)鍵的一種，它的設(shè)計與加工技術(shù)的研究進展直接關(guān)系到煤礦開采進展、開采效率，其價值占到綜采工作面設(shè)備總價值的多半以上。因此，需要分析礦用液壓支架的結(jié)構(gòu)組成及特點，結(jié)合工程實際，建立液壓支架的三維模型，并針對液壓支架結(jié)構(gòu)存在設(shè)計不合理及結(jié)構(gòu)重量偏重現(xiàn)象，開展礦用液壓支架輕量化設(shè)計的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化分析。

關(guān)鍵詞：液壓支架；結(jié)構(gòu)減重；設(shè)計研究

1 引言

在煤炭的開采過程中，為了最大限度地保證綜采工作面的空間安全和開采生產(chǎn)率，人們要充分發(fā)揮液壓支架的優(yōu)勢，這對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。但目前煤礦生產(chǎn)企業(yè)所用的液壓支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量極大，在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用受限較大，因此煤礦用液壓支架結(jié)構(gòu)減重設(shè)計是未來發(fā)展的趨勢。

2 液壓支架概述

液壓支架是利用液壓系統(tǒng)為驅(qū)動力，用于支護工作面頂板的一種大型支護式機械設(shè)備，主要由護幫裝置、前梁、立柱、支座、推桿、連桿、護梁、液壓支架等組成。

⑴承載單元。主要包括底座、頂梁、掩護梁等，底座是整個液壓支架承受壓力的部分，其將液壓支架所承受的壓力傳遞到地面上去，頂梁直接與巷道頂部接觸，起支撐掩護作用，掩護梁是防止巷道頂部的落石，同時需要承受冒落矸石的沖擊力。

⑵控制單元。控制單元主要是指液壓支架的液控部分的各種控制元器件，其結(jié)構(gòu)主要根據(jù)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同而有差異。

⑶執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)主要包括各類千斤頂設(shè)備及液壓支架的立柱，這些千斤頂類設(shè)備主要是用于移動支架、調(diào)整液壓支架的工作狀態(tài)及其他的一些保護性動作。液壓支架的立柱是液壓支架最重要的執(zhí)行機構(gòu)，主要用于頂梁和底座之間，用于承受壓力，并調(diào)整頂梁的支護角度，在實際應(yīng)用中立柱決定著液壓支架的支護高度及承受外界載荷的能力。

⑷輔助單元。其主要包括復(fù)位結(jié)構(gòu)、移動結(jié)構(gòu)、照明設(shè)備等，主要起一些輔助性的功能，確保液壓支架的正常工作。

由于歷史原因，我國的液壓支架系統(tǒng)的起步比較晚，在20世紀(jì)的后20年才開始發(fā)展液壓支架電液控制系統(tǒng)。在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的帶動下，煤機企業(yè)一邊通過技術(shù)引進、吸收和再消化，成功地將技術(shù)開發(fā)、制造和應(yīng)用相結(jié)合，跟隨著世界先進技術(shù)的發(fā)展方向。然而，在技術(shù)的國產(chǎn)化方面，我國和世界的先進技術(shù)相比還有很大的差距，現(xiàn)有的機電一體化水平已經(jīng)不足以保證煤礦開采企業(yè)高產(chǎn)高效地進行作業(yè)。而液壓支架又在機電一體化的設(shè)備中占有一席之地，今后也正朝著結(jié)構(gòu)減重的方向發(fā)展，從而保證國家的煤炭開采技術(shù)和水平不斷進步和發(fā)展，為國民經(jīng)濟的發(fā)展做好保障。

液壓支架的分類比較繁雜，按照其結(jié)構(gòu)特點和周圍環(huán)境的作用關(guān)系，可以將其主要分為三大類：支撐式、掩護式和綜合式。根據(jù)支架的實際效用和功能，液壓支架又可以分成四個主要的部分：一是主要用來支撐并且傳遞載荷的部件，比如頂板。底座、連桿、掩護桿等承接來自上方掉落的巖石的部件。二是提供液壓支架各種動作的動力來源，通過立柱和千斤頂中的液壓裝置，將液壓動力傳遞給相應(yīng)的部件。三是操縱類和控制類的部件，主要是將液壓動力傳遞給各種部件做出相應(yīng)的動作，比如各種單向閥、安全閥、操縱閥和電控元件等。四是實現(xiàn)液壓支架功能和動作的輔助性部件，包括伸縮桿、防護幫、防滑防倒的裝置，以及側(cè)護板和連接桿等連接性的制件等。

3 液壓支架結(jié)構(gòu)減重設(shè)計要點概括

雖然液壓支架首先要保證的是安全，但是在支架的采購過程中，處于競爭第一位仍然是價格。目前國內(nèi)部分支架生產(chǎn)廠家為使支架滿足強度、剛度要求，不惜成本的選用較厚的支架鋼板，隨著國家對煤礦機械綜采行業(yè)的規(guī)范，綜采設(shè)備將不再以重量計算價格。笨重的支架需要使用更大型的支架運輸車，使得專用運輸車本身成本、耗油成本的增加，重量較重的支架在井下運輸也不方便，整體移架較慢，影響采煤生產(chǎn)效率。輕量化是液壓支架設(shè)計的必然趨勢，通過結(jié)構(gòu)的改變，減少鋼材的使用量，從而降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的競爭力。

從機械設(shè)計的角度分析，一般來講，四連桿機構(gòu)多是雙搖桿機構(gòu)，機架作為不動的部件外，掩護梁是連桿，剩下的前后連桿充當(dāng)連架桿，所以頂桿的運動軌跡近似于一個雙紐線的形狀，這樣既保證桿件之間距離變化量的最小值，同時也保證了頂板的可控性，故而四連桿機構(gòu)是煤礦用液壓支架中最重要的結(jié)構(gòu)。由于具體的作業(yè)條件和作業(yè)環(huán)境的不同，在實際的煤礦開采過程中，不同的作業(yè)面液壓支架采采用不同的四連桿機構(gòu)。

3.1 支架的拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化就是在結(jié)構(gòu)設(shè)計區(qū)域計算出最佳的形狀以及最優(yōu)的材料分布，常用的連續(xù)體拓撲優(yōu)化法就是把一般為實體單元或殼單元的優(yōu)化空間離散成有限個單元，然后根據(jù)算法計算出設(shè)計空間內(nèi)哪些單元需要保留，哪些單元可以去除，有限元軟件通常采用密度法和均勻化法來決定材料的分布情況，最后保留下來的單元即為最佳的的結(jié)構(gòu)拓撲方案，達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。與形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化相比，拓撲優(yōu)化具有更多的設(shè)計自由度，設(shè)計空間較大，因此效果明顯，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化最具發(fā)展前景的一個方面。但也會受到一定的制造生產(chǎn)工藝的限制。對液壓支架進行優(yōu)化時主要目的是減輕其重量，但不能使其超出材料應(yīng)力的使用范圍。

3.2 支架的尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化一般也稱之為參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，可對有限元模型一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如材料的特性、梁單元的截面屬性、殼單元的厚度、彈簧單元的剛度、質(zhì)量單元的質(zhì)量系數(shù)等進行優(yōu)化設(shè)計，從而達到一定的設(shè)計要求。隨著支架中心距與支撐高度的不斷加大、工作阻力的不斷提高，支架的重量也隨之增加。怎樣在提升支架性能的同時，減輕支架的重量是支架生產(chǎn)企業(yè)一個急需解決的問題。雖然近年來，國內(nèi)少數(shù)企業(yè)看到了液壓支架的減重趨勢，不過普遍采用的是使用高強度鋼來同時提高性能和減輕重量。該方法雖然對支架的性能提升很大，但是生產(chǎn)成本的增加也很大，除高強度鋼的成本較高外，還因高強度鋼不易焊接，目前對焊縫的處理技術(shù)還不是很高。提高材料力學(xué)性能，同時保證高強鋼易焊接性，是實現(xiàn)基于材料的輕量化必須解決的首要問題。

由于高強度鋼板的裂紋敏感性，在對如Q690及更高強度的鋼板焊接時都需要焊前預(yù)熱和焊后回火，預(yù)熱溫度都在100℃以上，目前國內(nèi)支架幾乎全部采用人工焊接，因而焊接十分不方便。如何使焊接工藝簡單，保證鋼板的易焊接性，是支架使用高強鋼時的主要難題。同時，高強鋼都需要焊后保溫處理，對于頂梁、掩護梁、底座等較大的部件采用整體回火，需要建造較大的保溫爐，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且增加了加工生產(chǎn)時間，這也是阻止高強鋼推廣應(yīng)用的主要問題。

目前是液壓支架輕量化剛起步階段，應(yīng)主要采用基于結(jié)構(gòu)的輕量化方法，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計理論與方法，利用計算機輔助分析的優(yōu)勢對支架進行設(shè)計，同時加強對高強度鋼以及新材料的研究。在對液壓支架進行輕量化設(shè)計時，應(yīng)在概念設(shè)計階段設(shè)計出性能最佳的新結(jié)構(gòu)，而不是僅僅在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改進。由于受到目前人類設(shè)計思想、材料學(xué)科以及制造工藝的約束，未來高性能液壓支架的設(shè)計將結(jié)合新結(jié)構(gòu)、新材料以及新制造工藝等技術(shù)。

4 結(jié)語

煤礦用液壓支架的設(shè)計、制造與煤礦產(chǎn)業(yè)的效益和發(fā)展息息相關(guān)，相信通過不斷引進先進的國外技術(shù)，選用質(zhì)量和性能過硬的鋼材，同時在現(xiàn)場設(shè)計與制造方面進行突破，相信在未來能為煤炭生產(chǎn)帶來切實的優(yōu)惠和方便。

參考文獻

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（作者單位：三一重型裝備有限公司）