矿井液压支架结构静力分析及有限元优化设计

郭彦军

（山西阳煤集团碾沟煤业有限公司， 山西 清徐 030400）

引言

20世纪70年代，液压支架在我国属于发展时期，处于学习液压支持的阶段；在70年代、80年代初，我国大规模引进国外先进的液压支架，处于吸收和消化阶段；直到90年代中期，独立研究液压支架在我国开始迅速发展。随着我国的经济发展，煤炭资源和煤炭生产的需求大大增加，已经用尽了煤层角度较小且易开采的煤层，对于更大的倾斜角度，开采量正逐渐增加，液压支架的稳定建立也成为一大难题。大倾角采矿面临倾倒的危险，液压支架的稳定性是安全工作的基础。本文以ZZ10800/22/45薄基岩液压支架顶梁为例，根据有限元法和结构设计理论与有限元分析计算结果，开发了优化的数学模型和顶部液压支架同时，根据GDO计算梁提出轻量化设计。

1 液压支架三维参数化模型的建立

液压支架是地下工程或隧道工程的重要设施之一，用于支撑顶部岩石，防止顶部岩石崩塌。它可以提供一个安全的设备和施工人员工作空间。近年来，一些国家正在研究薄煤层浅埋煤层含水层基岩的安全开采，但结果主要集中在减少防水支柱，而很少有研究薄基岩液压支架的改进和优化。因此，研究开发新型液压支架是必要的，对于提高煤矿的安全生产和经济效益有很大帮助。

液压支架顶梁由三维参数化模型通过使用建立ANSYSWorkbench的三维参数化模块DM得到。在模型建立过程中，一些不重要的部分被简化了，不会影响强度分析结果，这种简化符合工程实践。简化后的液压支架顶梁的三维参数化模型，如图1所示。

2 材料属性，限制和负载设置

充分尊重ZZ10800/22/45液压支架的焊接结构，大部分零件选用Q550钢板为材料，部分采用Q235钢板和Q690等。Q550钢板弹性比为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3，销轴材料为40Cr。

图1 液压支架顶梁的三维参数化模型

在计算过程中，将砌块铺设在不同的液压支架上，来模拟不同承载工况下的井况。产生的力量通过对液压支架的阻塞作为限制条件，通常在有限元中处理分析。顶梁及母板两侧各放置两块结束加载工作状态。因此，四根支柱施加在顶梁和基座上。根据规定，液压支架强度试验的载荷施加方式在负荷消耗模式里面。所以，这些荷载是由四根支柱施加在顶梁和基础上的，值为液压支架原型的工作阻力的1.2倍。

3 静力学及优化分析

3.1 静力学分析

静力分析主要用于分析结构和机械零件在静态负载下的响应。这是有限元分析（FEA）中最基本的方法，首先对顶梁两端液压支架进行了典型负载工作条件的总体强度有限元分析。相关总位移和等效应力分布规则可以找到。有关总位移分布规律和等效应力分布规则如下页图2所示。

图2中（2-1）显示顶梁和侧板斜面两端的应力值为最高达到377.24 MPa，低于材料屈服极限。虽然压力比较大，但是由于顶梁的变形而产生集中其他部位的应力值远远小于材料屈服应力，所以，液压支架可以满足使用需求。

图2 液压支架顶梁的三维参数化模型

图2中（2-2）显示最大位移位于顶梁中部，其值为2.607 4 mm。位移从顶梁中间减少到顶梁端。顶梁上相对残余变形不到0.4%，所以液压支架可以满足使用需求。

此外，根据实际工作经验，通过静力学分析找出了确定液压支架的下降和倾倒的原因，并考虑安全因素，以此提出液压支架的防滑倾倒措施有以下几点：

1）防滑千斤顶的设置，当其中一个托架位于托架底座之间时，设置防滑千斤顶发生下降，以支撑压力为支点的支架，滑动千斤顶伸向控制支架的稳定性，防止支架下降的同时，防止倾销。

2）摩擦因子的增加，在升降过程中，基岩与岩石之间的摩擦沿着斜坡平衡重力的分力。工作压力和重力不能调节，因此增加摩擦系数有助于增加摩擦力防止支架下降。

3）确保支架对屋顶的支撑力，同时，减少支架重量。在静态分析中，我们可以知道下降与下降分力的作用有关，所以保证支架的支撑能力的同时，降低框架自重力，有助于减少框架倒下防止支架下降。

4）工作面布置成倾斜状态，是液压支架下倾的主要原因，所以斜工作面在大角度状态下减少倾角很具实用性，也对防止支架失效具有重要意义。

3.2 优化分析

目标驱动优化是一组样本中的多目标优化技术（一定数量的设计点以获得最佳设计点）。本文选择top托盘厚度（Extr1.FD1），塔顶盖板厚度（Extr2.FD1），顶梁之间板厚（Extr26.FD1），腹板厚度（Extr29.FD1）等，所以有总共8个设计变量。本文的目的是通过体积优化结构质量优化结构方法，质量考虑作为目标函数。通过ANSYS Workbench分析，生成了三个最佳候选设计点。其中一点为最佳设计，顶梁已达到轻质目标，不会损失结构强度。

3.3 优化结果检查

为了验证有限元分析的可靠性。使用ANSYS Workbench软件对优化的（圆度）顶梁进行静态分析。

图3显示在顶梁优化后，最大等效应力为略优于优化前，其他部位的应力值远小于此值之前，虽然最大变形可以忽略不计，但质量509.2 kg过小，这表明液压支架可以达到轻量化的目的，并且在同时结构的优化可以保证液压支架的强度和刚度、刚性。为了验证优化的顶梁可能适用于液压支架的其他工作条件下，后续的工作应该选择扭转工况检查液压支架的顶梁强度和刚度。

图3 ANSYS Workbench软件对优化的（圆度）顶梁进行的静态分析

4 结论

最佳模型是通过将冠层的重量作为最优目标函数，结构强化作为限制条件建立的。最佳计算是通过使用GDO方法在Workbench中编程来实现的，可以减少原始冠层质量的9.13%。优化后的模型也适用于其他条件。该效果明显，发展周期缩短，产品质量提高，成本降低，因此对液压系统的研究、开发、指导具有重要意义，对未来煤矿液压支持产品具有参考价值。