礦用支護材料輕量化的設計與研究＊

溫馨

（1.中煤科工集團北京土地整治與生態修復科技研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.煤炭行業礦區土地整治與生態修復工程研究中心，北京 100013；4.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013）

在新時代國內外復雜嚴峻環境下，礦井下安全高效率的生產不僅與后疫情時代國內經濟形式回升，國家規模性紓困等發展布局密切相關，更會直接影響國際輿論等重大戰略布局。在煤炭開采過程中，液壓支架被大量使用，直接關乎煤炭安全高效開采。液壓支架的主要作用是隔離采空區，有效而可靠的支撐和控制工作面頂板，保證煤炭開采過程的安全，同時還能前移和推進工作面輸送機，與采煤機、輸送機配套使用實現落煤、裝煤、運煤、支護和放頂回采工藝過程的全部機械化。液壓支架通常應用在復雜的地質環境中，需要承受巖層的交變載荷作用，其頂梁是直接與圍巖接觸的承載部件，受到彎曲和剪切相耦合的作用力，其結構的受力情況對液壓支架安全性至關重要。

傳統液壓支架的結構中，體積重量較大的部件包括頂梁、掩護梁、立柱、底座[1]等。在液壓支架升降柱、行走、推移運輸機等過程中由多個液壓機共同推動。為了達到足夠的抗彎、抗壓強度和剛度要求，液壓支架設計和生產過程中通常采用鍛壓成型碳鋼為基礎材料制備，其密度和重量通常較大，所消耗能量甚巨。隨著國家對煤礦機械綜采行業的規范，綜采設備將不再以重量計算價格。重量巨大的支架在工作推移過程中需要使用液壓油缸，移架較慢，能量損耗巨大，且無法做到電缸級別的精確控制，嚴重限制了工作面智能化、無人化發展。支架在井下拆卸、維修、運輸都需要投入大量的能源動力，影響采煤生產效率。

在未來井下智能化的發展格局下，液壓支架的輕量化是必然趨勢。目前國內外對液壓支架輕量化主要通過3個設計途徑：布局架構設計、基體材料設計和制造工藝設計。

1.布局架構設計

布局架構設計指的是在不改變液壓支架使用材料工藝和類別的條件下，通過有限元分析、神經網絡模擬等方法計算液壓支架在不同工況下各組件的受力分布狀態，建立各種優化目標下的工件優化模型，繼而通過結構的改變，減少鋼材的使用量。王邦祥等[2]利用神經網絡近似模型對液壓支架底座進行了優化設計。以Minor線性疲勞累積損傷理論和S-N曲線推到底座疲勞壽命達到N次時的疲勞應力值，結合RBF神經網絡近似模擬和遺傳算法相結合的方式實現了底座9%以上的設計結構輕量化（圖1）。薛聰[3]采用仿真分析軟件建立實體三維模型，結合實際應用情況和應用現狀，針對液壓支架最危險的工況狀態（頂梁扭轉狀態、底座兩端同時加載狀態）進行分析，將網格大小設定為35mm，網格總數約兩萬個。通過仿真計算發現，危險工況狀態下應力主要分布在頂梁內的前半部分和底座內側支撐部。

通過以上理論計算分析，可以針對性地進行布局架構調整。分析液壓支架應力云圖，各部分受力特點，對支架各部位進行拓補優化設計，在保證剛度和安全性的前提下，降低液壓支架的質量。對于嚴苛工況下的主應力分布區維持現有狀態或增加強化梁，在應力分布較小的區域降低鋼材用量，降低應力承載冗余，可有效減小支架的總重量[4]。

2.基體材料設計

傳統液壓支架主要使用高強結構鋼為基體材料。鋼鐵材料經過百余年的發展，生產工藝、制造技術較為成熟，價格相對低廉。然而，鋼鐵材料密度過高的特點成為液壓支架沉重的主要原因。因此，制造基材角度出發，尋找新型合金和復合材料是液壓支架輕量化必經的發展方向。

2.1 輕質合金材料

輕質合金是以鋁（2.70g/cm3）鎂（1.74g/cm3）鈦（4.50g/cm3）等具有低密度高強度金屬為主要成分的合金，通過摻雜銅、錳、硅、鎂、鋅、鋯、鈮、鉻等元素調控強度、塑形、耐蝕性。輕質合金在航空航天、醫療器械、石油化工、智能汽車、新型發動機、水力發電、電子設備等各行業中有廣泛應用。針對井下防爆放火的特殊要求，部分輕質合金不能直接暴露在外，因此可以選用鈦鎂合金為主要基體，在外側包覆有機樹脂，從而對鋼材進行替代[5]。

2.2 金屬/有機復合材料

復合材料是由多種不同特性的原料根據結構特點和理化性質，以一定的復合工藝制備出的結構件。馬希青等[6]通過設計復合金屬板材，在液壓支架的受力集中處焊接或粘連強化件以達到提升局部性能和有效降重的效果。王芳芳[7]通過有限元分析受力情況，得到復合結構的合理設計，經過計算得到了焊板厚度與支架最大應力和許可應力建的關系，并使用16Mn作為增強結構進行了有效復合。

2.3 碳纖維復合材料

碳纖維具有抗拉強度極高，彈性模量大、穩定性強、重量輕等一系列優點，被視為復合結構材料的未來。碳纖維材料在汽車制造、航空航天、軍/民用設備等眾多領域已有廣闊應用。如圖2所示，碳纖維增強復合材料可分為短碳纖維增強和長碳纖維增強，其中短碳纖維增強主要依靠纖維與基體之間的浸潤后的預壓縮應力、纖維拔出、裂紋偏轉和纖維橋接等，而長碳纖維則通過預先編織好的結構件作為骨架，再在外層進行封塑，使復合材料具備極強的內部預應力，以抵消外部受力。通常情況下，短碳纖維復合后的材料強度提升可達40%[8]，而長碳纖維編織結構復合材料則可將材料強度提升數倍到數十倍[9]。液壓支架的頂梁、掩護梁、立柱部分大都承受剪應力。若在應力應變較大的區域使用碳纖維復合材料，可以極大程度地提升液壓支架的承載重量，同時做到自身重量的大幅減輕。

圖2 碳纖維增強復合材料

3.制造工藝設計

目前的液壓支架各部分組件生產制造依然停留在各自模塊―加工―焊接―組裝的工藝形式，沒有針對液壓支架總體進行制造工藝優化設計。曹連民等[10]從液壓支架加工制造角度出發，在支架結構選材、整版下料、焊接、切割等流程進行整體設計，在保證力學穩定的前提下有效控制了支架的總體重量，通過部分結構弧裝鏤空或使用泡沫金屬結構設計，盡量減少各組合部件的數量，可以通過各部件的一次成型或激光選區熔化（SLM），從而減少因部件連接造成的支架重量增加，同時增加連接處的安全可靠性，減少接觸面間的腐蝕，實現支架的輕量化。

液壓支架底座承受力分布較為均勻，而目前底座較多采用板式結構進行制造。針對這一狀況，可以將液壓支架底座改為中空箱式結構，外壁采用薄壁超強鋼進行加固。在箱式結構上側留有開口，針對復雜頂底板情況，可充入水或沙子進行重心穩固。王宜君[11]對液壓支架底座進行箱式設計，在滿足強度要求的前提下，液壓支架底座重量大幅下降。

在加工制造過程中若使用多種復合材料，在制造過程中，需要根據不同的材質開發針對性的連接技術。傳統鋼材的連接技術包括焊接、鉚接、螺接等[12]。這些技術無法滿足碳纖維復合材料、輕質合金、高強鋼等結構的連接。對于輕質合金，應采用冷鏈接的方法，而碳纖維復合材料和金屬/非金屬復合材料則應采用膠接和機械連接并行的方式。

4.結語

輕量化是液壓支架設計的必然趨勢，使用有限元神經網絡模擬等方法構建液壓支架工作狀態的應力集中分布，針對性地進行布局架構調整；選用輕質合金、復合碳纖維等新型高強度輕質材料作為支架結構的整體替代；從制造工藝整體角度出發，通過部分結構弧裝鏤空或使用泡沫金屬結構設計，實現支架的輕量化。