液压支架结构尺寸的优化设计

2021-04-08聂攀峰

机械管理开发 2021年1期

聂攀峰

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西古交 030020）

引言

液压支架为与工作面采煤机、刮板输送机相配套的机械设备，其主要为工作面顶板实现支护，以保障工作面的安全生产。液压支架的应用间接提升了工作面综采设备的机械化水平，提升了工作面的生产效率[1]。液压支架在不同的工况下受力情况不同，其应力集中位置和应变大小也不同。实现液压支架的轻量化设计对进一步提升其支护效率，保证工作面的安全生产具有实际意义。本文将以液压支架强度为基础对其结构尺寸进行优化设计，达到轻量化的目的。

1 液压支架概述

根据液压系统各部件功能不同，可将其划分为承载结构件、执行元件、控制元件、辅助装置以及传动介质。其中：承载结构件为液压系统的关键结构件，是承受顶板来压载荷的基础；执行元件主要指立柱和相关千斤顶，基于执行元件可适应工作面高度调整支架的高度和液压支架的形态；控制元件主要指系统中各类阀，主要包括有安全阀和单向阀两种，根据现场情况控制安全阀和单向阀使得液压支架完成各种动作；辅助装置指液压支架的护帮装置、复位装置以及挡矸装置等；传动介质为由乳化油和水按照比例配的乳化液[2]。

2 液压支架的优化设计必要性分析

本文所研究的液压支架为两柱掩护式液压支架，具体型号为ZY120000/24/56D，每条支护的设计额定工作阻力为6×103kN。为保证液压支架优化设计后其强度能够保证在各个工况下的支护要求，本节基于有限元分析，提前掌握液压支架在优化设计前对顶梁偏心加载、顶梁扭矩加载、底座扭矩加载、底座两端加载以及顶梁扭矩与底座两端同时加载等工况下的应力及应变情况进行分析。

1）在顶梁偏心加载工况下，液压支架最危险的位置位于掩护梁前端的竖直钢板和凸台和掩护梁焊接之处。但是，上述最危险位置的应力值没有超过材料的许用应力。

2）在顶梁扭矩加载工况下，液压支架最危险的位置位于顶梁前端的垫块位置，其次危险的位置位于护帮装置的台阶处。但是，上述最危险位置的应力值没有超过材料的许用应力。

3）在底座扭矩加载工况下，液压支架最危险的位置位于底座位置，此外其他位置的应力值均很小[3]。

4）在底座两端加载工况下，液压支架最危险的位置同样位于底座上，其次为掩护梁竖直的钢板上，第三危险的位置位于顶梁底部的后端。

5）在顶梁扭矩与底座两端同时加载的工况下，液压支架的最危险位置位于顶梁位置，主要集中于顶梁前端垫块位置；其次为底座位置具体位于其内侧竖直钢板处；第三危险的位置位于掩护梁主要集中于凸台与掩护梁焊接的位置处。

经综合汇总，在上述五种工况下液压支架关键部件的最大应力值如表1 所示。

表1 液压支架关键部位最大应力值

如表1 所示，尽管液压支架在不同工况下的最大应力值很大但是均未超过材料的许用应力，而且在某些位置最大值很小，即该位置所选材料的强度过大，从而无形中增大了油液支架的重量。因此，在保证液压支架强度要求的基础上可对某些位置的钢板厚度进行改变或采取挖空处理的措施达到轻量化处理的目的[4]。

3 液压支架尺寸的优化设计

基于“2”中的仿真分析结果，可通过对液压支架某些位置的结构厚度进行优化，保证其能够满足液压支架在各种工况下的强度要求外，使其结构厚度为最小，从而达到液压支架轻量化的目的。

结合仿真分析结果，对液压支架顶梁、掩护梁、连杆以及底座等位置的结构厚度进行优化，保证上述结构厚度经优化后在各种工况下的最大应力值不超过560 MPa。其中，顶梁结构尺寸的范围为30～60 mm；掩护梁结构尺寸的优化范围为10～20 mm；连杆结构尺寸的优化范围为10～25 mm；底座结构尺寸的优化范围为15～25 mm。经优化设计后，液压支架各部件的尺寸对比如表2 所示。

如表2 所示，经对液压支架顶梁、掩护梁、连杆以及底座等部位的结构尺寸进行优化设计后，其对应结构尺寸均减小。经核算，液压支架关键部位尺寸优化后整机质量由3.22×104kg 减轻至3.15×104kg，总共减轻质量约为0.07×104kg。根据优化结果对有限元仿真模型进行修改，并对其在不同工况下的最大应力值进行仿真，优化前后液压支架在不同工况下的最大应力值对比如表3 所示。

如表3 所示，经对液压支架顶梁、掩护梁、连杆以及底座等结构尺寸进行优化设计后，不仅液压支架的总体重量减轻，而且在不同工况下液压支架的最大应力值也得到减小。因此，经对液压支架关键部件结构尺寸进行优化后不仅提升了液压支架的支护效率，而且提升了其可靠性[5]。