淺析數值仿真技術在液壓支架方面的應用研究與展望

張放 靳予記

鄭州工業應用技術學院 機電工程學院 河南省鄭州市 450000

1 引言

隨著我國工業4.0的提出，煤炭開采作為我國重要的工業，如何在安全的前提下提高煤炭開采效率，促進我國經濟發展成為亟待解決的問題。液壓支護設備作為煤炭開采的保護傘，研究液壓支架的性能參數，提高煤炭開采效率成為重要任務。隨著互聯網技術的發展，計算機已應用于各行各業，計算機仿真技術已應用與液壓支護設備的研究當中，并對液壓支架參數的修正起到重要的作用。

2 液壓支架的研究現狀

我國在20世紀70年的開始研究液壓支架技術，該技術的興起促進我國煤炭行業的迅速發展，大概10年的時間內，液壓支架在綜采設備中已經占據了重要的地位，為煤炭安全的開采提供了重要的保障。90年代之后，液壓支護設備迅速發展，主要是對液壓設備參數、性能及可靠性等方面進行研究。1991年，我國北京煤礦機械廠研制出第一套電液控制的液壓支架，在該液壓支架的基礎上進行改進，在隨后的5年內開發出第二代電液控制系統，并且在井下工業試驗成功，驗證了該項技術的性能、科技成果的巨大發現。從此液壓支架、采煤機、輸送機三機器聯動開啟全面自動化研制階段。1994年，西安礦業學院簡述了液壓支架技術和CAD技術相結合的研究現狀，闡述液壓支架研究的理論研究、計算機繪圖在液壓支架研究做出的巨大貢獻，并對兩者之間的發展指出了4個方向，給未來液壓支架的研究奠定了基礎[1]。2007年，北京礦業大學孫文針對當前所興起的虛擬樣機技術，提出該技術在液壓支架方面的應用的觀點，并對虛擬樣機技術在液壓支護設備的應用前景進行了展望[2]。2011年煤炭科學研究院張志清對國內外液壓支架試驗臺的研究現狀、前景進行了詳細的敘述，并對未來的發展趨勢進行了總結和分析，為試驗臺的設計和開發提供了重要的參考價值[3]。2017年，中原工學院劉芳對液壓支架進行計算分析驗證了液壓系統設計的合理性，并通過增加液壓管道路徑，提高了液壓支架的平移的速度大小，用AMESIM建立仿真實際工況的模型，進一步驗證了該設計的合理性[4]。2021年，陳黎運用AMESim軟件建立液壓控制回路模型，研究調節控制元件的參數對動態性能的影響，證明增大排量、減小內部壓力沖擊頻率可以提高液壓缸的平穩性[5]。2021年，中國礦業大學的李偉以煤礦意外坍塌事故為出發點，研究液壓支架橫梁的受力變化，找到受損嚴重部位，并才有數值仿真進行模擬分析，由應力云圖和變形云圖得到受載點，為液壓支架強度設計奠定基礎[6]。2022年，崔擁軍液壓葉支架的推移裝置及逆行手里狀況和工作性能分析，指出再復雜多變受力下其破壞比較嚴重，為后續液壓支架推移裝置的設計提供數據支持[7]。

3 數值仿真技術在液壓支架的應用

20世紀90年代開始諸多學者和研究人員開始將三維建模、數值仿真技術應用到液壓支架方面的研究，利用有限元技術完成液壓支架關鍵部位的受力分析，得出載荷作用下液壓支架的薄弱點，進而進行對該結構進行優化設計，提高液壓支架的安全性能。2008年，中國礦業大學臧峰提出液壓支架參數模塊化的概念，對液壓支架系統進行模塊化劃分，利用Pro/E技術研究液壓支架自動裝配方法、相關約束，模擬完成液壓支架自動裝配[8]。2017年，遼寧工程技術大學劉希福為了研究短采工作面的安全性和生產效率，建立圍巖結構模型，建立行走式液壓支架支護狀態下的動力數學模型，用Soildworks和ADAMS軟件技術建立虛擬樣機模型，基于實際工況仿真研究液壓支架的性能參數，并完善了液壓支架的控制方法，同時為液壓支架結構的優化設計提供了重要的依據[9]。2018年，安徽理工大學王成軍等人在三自由度基礎上，在實際工況下，用Workbench軟件建立液壓支架的支撐機構的仿真模型，得到實際工況下所需要的參數，證明在三個方向上都具有很好的卸載能力，同時提高支護設備的穩定性和支撐能力[10]。2019年，安徽理工大學蘇榮海為了研究液壓支架的穩定性和安全性，采用并聯機構解決高精密、高承載的問題，基于理論基礎上設計兩款新型的并聯液壓支架。用動力學軟件ADAMS完成并聯機構的運動模型，用有限元Workbench軟件建立圍巖的耦合模型，對其剛度、強度等相關可靠性參數分析，并將Solid works建立的液壓支架的三維模型導入到ADAMS中進行運動學分析，獲得各項運動學參數。后期對相關參數進行優化設計，完成關鍵零部件的改進設計，提高了剛度和承載能力[11]。2020年，西安科技大學郭博洋建立采煤機截割、支護等三維模型，再用Stateflow進行仿真，分析出綜采自動化下的工藝，進而實現生產、成本的最優方案，實現了采煤機和支護設備的最佳配合方案實現了安全生產[12]。2021年，東北大學韓晨怡為研究液壓支架頂梁強度特性建立液壓支架整機的三維模型，在底座設置不同的約束邊界，結果表明加載載荷的不對稱導致底座接觸不完全，并指出試驗結果和仿真結果相接近的方法，為液壓支架應力方面的研究提供數據支持[13]。

4 液壓支架參數優化研究

隨著數值仿真技術在液壓支架方面的研究與應用，煤礦機械采用聯合仿真技術對液壓支參數優化研究是失分重要的，對液壓支架機械結構、參數大小等相關因素進行優化設計，進而達到提高煤炭開采率，提高液壓支架的性能，提高井下煤炭開采的安全的目的。液壓支架的主要優化結構有：頂梁、回撤設備、底座、伸縮護幫結構等采用有限元仿真，得到應力云圖，進而得到結構危險位置，再進行優化設計獲得強度安全、工作穩定結構合理的液壓支護設備。

2007年，河北工程大學崔漢濤對液壓支架的結構、形狀，研究結構的演變技術，完成新型液壓支架的設計。用pro/e軟件完成垂直導桿型液壓支架整機模型的建立，以減少整機模型的重量為設計目標，使頂梁在設計中重量減少19%，采用現代技術完成整體的設計，給以后的液壓支架的設計提供了參數依據[14]。2008年，遼寧工程技術大學劉文武為了研究高產高效的采煤生產目標，對四連桿液壓支架進行系統分析，以VB為開發平臺，編輯液壓支架放頂煤的受力情況、運動情況，再用有限元模型完成結構強度驗證，完成頂梁箱體的優化[15]。2011年，鄭州大學姚向豫以提高經濟效益為目的，以液壓支架為分析原型，用pro/e建立各個零部件的三維模型，完成裝配模型。完成之后利用干涉模型檢查該裝配的合理性。再將掩護梁零件導入到有限元中，得到其應力、應變模型，再建立數字優化模型之后完成該零部件的優化結構設計。同時液壓支架的重量減少了6%左右，設計一套現代的液壓支架設備[16]。2014年，遼寧工程技術大學朱天龍針對液壓支架耗材多、體積大、笨重等缺陷，以掩護式液壓支架為原型，對液壓支架的關鍵零部件頂梁進行優化設計仿真。采用三維軟件SolidWorks完成液壓支架的整體模型的創建，運用ANSYS完成靜力強度分析，找到頂梁承載力薄弱點，并通過添加筋厚和數量的方法解決降低頂梁的承載力力，最終使其重量減少了12%左右[17]。2016年，河北科技大學崔堅用三維軟件設計出液壓支架三維參數化設計系統，并用經典設計理論對四連桿型的液壓支架進行了優化設計，大大減少了液壓之間參數設計的重復性，并對液壓支護設備參數化、系列化提供了重要的依據。對礦山機械的研發提供了重要的參考價值[18]。2017年，煤炭總院龐義輝對大采高液壓支架護幫結構進行優化設計，建立簡化的圍巖模型，采用動力學仿真技術（ADAMS）進行仿真計算，得到液壓支架千斤頂初期遇到很大的載荷，進而采用“懸臂梁+砌體梁”結構，可以有效的抑制破壞體的滑落失穩。其護幫力的大小、可靠性均優于先前的護幫板與伸縮梁連體結構[19]。2018年，內蒙古科技大學的高耀東、顏鵬賀研究關于四桿機構的尺寸嚴重影響液壓支架的工作性能，利用有限元軟件ANSYS對液壓支架仿真，通過各個構件的運動學參數進行特性分析，并針對薄弱結構進行優化設計分析，減少了液壓支架的重量，提高其本結構的性能，并且分析結果也可以用在對液壓支架的評價方面，證明了有限元ANSYS在液壓支架方面運動學仿真和優化方案的可行性[20]。2019年，河南工程學院劉軍對液壓支架掩護梁的可靠性進行有限元仿真，在確保掩護梁安全的基礎之上，進行應力約束，改善了掩護梁的壓力，并對其結構的質量減少。將可靠性技術和仿真技術進行有效的結合，為后續液壓支架的研究提供了新的方面[21]。2020年，遼寧工程技術大學劉歡為研究液壓支架抗沖擊性能，采用遺傳算法對直紋管尺寸進行優化，設計出一組新的直紋管尺寸，并采用有限元技術驗證了該尺寸的直紋管尺寸的可行性[22]。2021年，沈陽工業大學王鑫昊對液壓支架的回撤設備整體結構分析，針對于目前液壓支架回撤設備尺寸過大、運輸困難等主要問題，復雜煤層的環境下，采用Solid Works完成三維模型的建立，用ANSYS對回撤設備靜力強度分析，并驗證了該結構的合理性[23]。

5 結論與展望

本文綜述了液壓支護設備-液壓支架的研究現狀、數值仿真技術在液壓支架方面的應用以及采用聯合仿真技術對液壓支架重要的結構進行強度分析、結構優化等方面的研究進行了闡述。但是液壓支架的結構比較復雜，所處的開采環境更為復雜，目前煤炭開采的安全問題依舊是重要問題，液壓支架進行多方面的研究與改進依舊是專家學者的研究方向，還應對一下兩個方面進行研究：

（1）液壓支架工作環境比較復雜，需要將振動、溫度、應力等相關測試技術相結合，對液壓支護設備進行綜合分析，可以獲得準確的診斷結果。

（2）將數值仿真技術和試驗臺相結合，研究影響液壓支架的重要參數及結構。才有pro/E進行三維建模，MATLAB軟件進行載荷的數據處理，在有限元ANSYS中進行強度分析，最后利用實驗臺進行實際結構的驗證，使實驗結構更具有可靠性。