放顶煤超静定液压支架的优化设计

2018-11-28张国斌

机械管理开发 2018年11期

张国斌

（西山煤电集团公司机电厂，山西太原 030000）

引言

放顶煤超静定液压支架是一种随着放顶煤开采而得到广泛应用的放顶煤工作面液压支护设备，其工作的可靠性和安全性直接决定了放顶煤开采的效率，但目前超静定液压支架也存在着顶梁结构重量大，使用时收撤困难，可靠性差的缺点，严重影响着放顶煤综采的安全性[1]，因此迫切需要采用新的技术对放顶煤超静定液压支架结构进行优化，在确保其结构强度和支护安全的条件下降低整体重量，提高使用时的可靠性和安全性。

1 放顶煤超静定液压支架简述

放顶煤超静定液压支架是在传统的八柱式液压支架的基础上将后侧的连接板和尾梁结构改进为放煤的部位，实现放顶煤的功能，其结构如图1所示[2]。

2 液压支架的三维建模及有限元分析

利用CREO三维建模软件建立液压支架的三维模型，并将其导入到ANSYS Workbench仿真软件中，对其进行网格划分，在划分网格时为了确保分析结果的准确性，采用了根据液压支架结构重要程度来控制网格单元的划分，网格划分完成后共划分单元格124 452个，共有241 623个节点，如图2所示。

本文对超静定液压支架在放顶煤开采时最常见的顶梁单侧偏载、底座两端集中载荷受力情况进行仿真分析，根据《煤矿用液压支架第1部分：通用技术条件》中的规定，在进行仿真分析载荷加载时，按照1.2倍的工作阻力情况进行载荷的加载，根据液压支架受力的实际情况，载荷加载情况可表示为[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。

图1 放顶煤超静定液压支架结构示意图

图2 放顶煤超静定液压支架有限元模型

对超静定液压支架进行仿真分析，结果如图3—图5所示。

图3为超静定液压支架在受单侧偏载、底座两端集中载荷受力情况下整体的应力云图和位移云图，可以看出液压支架上最大的应力约为471.01 MPa，其最大的应力位于支架尾部的千斤顶与活塞杆的销接头处，该处主要是在偏载载荷情况下销接头处的应力集中导致的。

图3 液压支架整体受力应力及位移云图

图4 液压支架顶梁受力应力（MPa）云图

图5 液压支架顶梁受力（MPa）剖视图

图4为超静定液压支架在受单侧偏载、底座两端集中载荷受力情况下，超静定液压支架顶梁的受力情况，分析可知，液压支架顶梁处的最大应力出现在垫块和顶梁接触的位置，其最大应力约为457.87 MPa，且该处的面积极小，该处受力点侧出现主要是由于设置约束时引起的应力集中，对液压支架顶梁强度的影响较小。为了准确判断顶梁内的应力分布状况，采用了将顶梁进行刨切的方案，如图5所示，顶梁横筋板上的应力已经超过了顶梁钢板屈服强度的极限值，在使用时极易发生破坏，因此需对该处结构进行优化。

3 Matlab优化遗传算法

遗传算法本质上是一种高效、并行、全局搜索的新的算法工具，其能够在搜索过程中不断的获取并积累有关搜索空间的相关知识，并自适应控制搜索的过程用以求得最后的答案。Matlab遗传算法工具箱是一种将Matlab计算与遗传优化算法进行有效结合的新的优化功能模块，其具有应用简单、方便，支持数据量大，优化结果方便的特点。根据以上仿真分析结果，液压支架的顶梁在使用过程中结构较弱，易出现事故，因此利用优化设计的概念，将顶梁断面筋条的尺寸作为优化设计的变量，进行优化设计[4]。

4 超静定液压支架顶梁的优化设计

利用Matlab遗传算法工具箱，将编写完成的优化逻辑程序输入控制系统，并对优化遗传算法进行参数设置，然后即可进行自动优化分析，为了更好地体现优化设计方案，本文对顶梁肋板厚度分别设置为 12 mm，14 mm，16 mm，18 mm，20 mm，然后分别对其进行遗传算法优化，结果如表1所示。

表1 遗传算法优化结果

为了有效降低顶梁的横截面积，肋板的厚度理论上来说是越小越好，但为确保顶梁结构的稳定性，其肋板厚度有一个下限值。同理为了降低顶梁的重量和横截面积，顶梁的厚度则是越大越好，因在实际工作中受到边界条件的限制，顶梁的实际厚度并不能随意增加，在系统设定的肋板厚度最小的情况下，每次的优化都能使顶梁厚度达到最大的理论值。由此可知，虽然增加顶梁的厚度能够降低顶梁的横截面积，但同时随着顶梁厚度的增加会相应的降低液压支架工作时的伸缩比，因此，在满足使用强度要求的前提下，利用适当增加顶梁厚度并降低肋板厚度的方案能有效提高液压支架顶梁的结构强度并能降低顶梁的截面积，优化后的顶梁参数如表2所示。