关于液压支架结构减重的优化设计

马超 张敬辉

摘要：液压支架是煤炭综采机械化设备中较为关键的一种，它的设计与加工技术的研究进展直接关系到煤矿开采进展、开采效率，其价值占到综采工作面设备总价值的多半以上。因此，需要分析矿用液压支架的结构组成及特点，结合工程实际，建立液压支架的三维模型，并针对液压支架结构存在设计不合理及结构重量偏重现象，开展矿用液压支架轻量化设计的结构拓扑优化分析。

关键词：液压支架；结构减重；设计研究

1 引言

在煤炭的开采过程中，为了最大限度地保证综采工作面的空间安全和开采生产率，人们要充分发挥液压支架的优势，这对煤矿企业安全生产至关重要。但目前煤矿生产企业所用的液压支架结构复杂、重量极大，在实际生产中的应用受限较大，因此煤矿用液压支架结构减重设计是未来发展的趋势。

2 液压支架概述

液压支架是利用液压系统为驱动力，用于支护工作面顶板的一种大型支护式机械设备，主要由护帮装置、前梁、立柱、支座、推杆、连杆、护梁、液压支架等组成。

⑴承载单元。主要包括底座、顶梁、掩护梁等，底座是整个液压支架承受压力的部分，其将液压支架所承受的压力传递到地面上去，顶梁直接与巷道顶部接触，起支撑掩护作用，掩护梁是防止巷道顶部的落石，同时需要承受冒落矸石的冲击力。

⑵控制单元。控制单元主要是指液压支架的液控部分的各种控制元器件，其结构主要根据液压系统结构的不同而有差异。

⑶执行机构。执行机构主要包括各类千斤顶设备及液压支架的立柱，这些千斤顶类设备主要是用于移动支架、调整液压支架的工作状态及其他的一些保护性动作。液压支架的立柱是液压支架最重要的执行机构，主要用于顶梁和底座之间，用于承受压力，并调整顶梁的支护角度，在实际应用中立柱决定着液压支架的支护高度及承受外界载荷的能力。

⑷辅助单元。其主要包括复位结构、移动结构、照明设备等，主要起一些辅助性的功能，确保液压支架的正常工作。

由于历史原因，我国的液压支架系统的起步比较晚，在20世纪的后20年才开始发展液压支架电液控制系统。在高技术产业的带动下，煤机企业一边通过技术引进、吸收和再消化，成功地将技术开发、制造和应用相结合，跟随着世界先进技术的发展方向。然而，在技术的国产化方面，我国和世界的先进技术相比还有很大的差距，现有的机电一体化水平已经不足以保证煤矿开采企业高产高效地进行作业。而液压支架又在机电一体化的设备中占有一席之地，今后也正朝着结构减重的方向发展，从而保证国家的煤炭开采技术和水平不断进步和发展，为国民经济的发展做好保障。

液压支架的分类比较繁杂，按照其结构特点和周围环境的作用关系，可以将其主要分为三大类：支撑式、掩护式和综合式。根据支架的实际效用和功能，液压支架又可以分成四个主要的部分：一是主要用来支撑并且传递载荷的部件，比如顶板。底座、连杆、掩護杆等承接来自上方掉落的岩石的部件。二是提供液压支架各种动作的动力来源，通过立柱和千斤顶中的液压装置，将液压动力传递给相应的部件。三是操纵类和控制类的部件，主要是将液压动力传递给各种部件做出相应的动作，比如各种单向阀、安全阀、操纵阀和电控元件等。四是实现液压支架功能和动作的辅助性部件，包括伸缩杆、防护帮、防滑防倒的装置，以及侧护板和连接杆等连接性的制件等。

3 液压支架结构减重设计要点概括

虽然液压支架首先要保证的是安全，但是在支架的采购过程中，处于竞争第一位仍然是价格。目前国内部分支架生产厂家为使支架满足强度、刚度要求，不惜成本的选用较厚的支架钢板，随着国家对煤矿机械综采行业的规范，综采设备将不再以重量计算价格。笨重的支架需要使用更大型的支架运输车，使得专用运输车本身成本、耗油成本的增加，重量较重的支架在井下运输也不方便，整体移架较慢，影响采煤生产效率。轻量化是液压支架设计的必然趋势，通过结构的改变，减少钢材的使用量，从而降低了生产成本，提高了产品的竞争力。

从机械设计的角度分析，一般来讲，四连杆机构多是双摇杆机构，机架作为不动的部件外，掩护梁是连杆，剩下的前后连杆充当连架杆，所以顶杆的运动轨迹近似于一个双纽线的形状，这样既保证杆件之间距离变化量的最小值，同时也保证了顶板的可控性，故而四连杆机构是煤矿用液压支架中最重要的结构。由于具体的作业条件和作业环境的不同，在实际的煤矿开采过程中，不同的作业面液压支架采采用不同的四连杆机构。

3.1 支架的拓扑优化

拓扑优化就是在结构设计区域计算出最佳的形状以及最优的材料分布，常用的连续体拓扑优化法就是把一般为实体单元或壳单元的优化空间离散成有限个单元，然后根据算法计算出设计空间内哪些单元需要保留，哪些单元可以去除，有限元软件通常采用密度法和均匀化法来决定材料的分布情况，最后保留下来的单元即为最佳的的结构拓扑方案，达到优化结构的目的。与形状优化和尺寸优化相比，拓扑优化具有更多的设计自由度，设计空间较大，因此效果明显，是结构优化最具发展前景的一个方面。但也会受到一定的制造生产工艺的限制。对液压支架进行优化时主要目的是减轻其重量，但不能使其超出材料应力的使用范围。

3.2 支架的尺寸优化

尺寸优化一般也称之为参数优化技术，可对有限元模型一些结构参数，如材料的特性、梁单元的截面属性、壳单元的厚度、弹簧单元的刚度、质量单元的质量系数等进行优化设计，从而达到一定的设计要求。随着支架中心距与支撑高度的不断加大、工作阻力的不断提高，支架的重量也随之增加。怎样在提升支架性能的同时，减轻支架的重量是支架生产企业一个急需解决的问题。虽然近年来，国内少数企业看到了液压支架的减重趋势，不过普遍采用的是使用高强度钢来同时提高性能和减轻重量。该方法虽然对支架的性能提升很大，但是生产成本的增加也很大，除高强度钢的成本较高外，还因高强度钢不易焊接，目前对焊缝的处理技术还不是很高。提高材料力学性能，同时保证高强钢易焊接性，是实现基于材料的轻量化必须解决的首要问题。

由于高强度钢板的裂纹敏感性，在对如Q690及更高强度的钢板焊接时都需要焊前预热和焊后回火，预热温度都在100℃以上，目前国内支架几乎全部采用人工焊接，因而焊接十分不方便。如何使焊接工艺简单，保证钢板的易焊接性，是支架使用高强钢时的主要难题。同时，高强钢都需要焊后保温处理，对于顶梁、掩护梁、底座等较大的部件采用整体回火，需要建造较大的保温炉，不仅增加了生产成本，而且增加了加工生产时间，这也是阻止高强钢推广应用的主要问题。

目前是液压支架轻量化刚起步阶段，应主要采用基于结构的轻量化方法，应用现代设计理论与方法，利用计算机辅助分析的优势对支架进行设计，同时加强对高强度钢以及新材料的研究。在对液压支架进行轻量化设计时，应在概念设计阶段设计出性能最佳的新结构，而不是仅仅在原有结构的基础上进行改进。由于受到目前人类设计思想、材料学科以及制造工艺的约束，未来高性能液压支架的设计将结合新结构、新材料以及新制造工艺等技术。

4 结语

煤矿用液压支架的设计、制造与煤矿产业的效益和发展息息相关，相信通过不断引进先进的国外技术，选用质量和性能过硬的钢材，同时在现场设计与制造方面进行突破，相信在未来能为煤炭生产带来切实的优惠和方便。

参考文献

[1]薛聪.煤矿用液压支架的轻量化设计[J].机械管理开发，2018，33（11）：38-39+90.

[2]燕晓宇.煤矿用液压支架的轻量化设计与研究[J].现代工业经济和信息化，2017，7（11）：79-80+96.

（作者单位：三一重型装备有限公司）