矿用支护材料轻量化的设计与研究＊

2021-09-06温馨

中国科技纵横 2021年13期

温馨

（1.中煤科工集团北京土地整治与生态修复科技研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.煤炭行业矿区土地整治与生态修复工程研究中心，北京 100013；4.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013）

在新时代国内外复杂严峻环境下，矿井下安全高效率的生产不仅与后疫情时代国内经济形式回升，国家规模性纾困等发展布局密切相关，更会直接影响国际舆论等重大战略布局。在煤炭开采过程中，液压支架被大量使用，直接关乎煤炭安全高效开采。液压支架的主要作用是隔离采空区，有效而可靠的支撑和控制工作面顶板，保证煤炭开采过程的安全，同时还能前移和推进工作面输送机，与采煤机、输送机配套使用实现落煤、装煤、运煤、支护和放顶回采工艺过程的全部机械化。液压支架通常应用在复杂的地质环境中，需要承受岩层的交变载荷作用，其顶梁是直接与围岩接触的承载部件，受到弯曲和剪切相耦合的作用力，其结构的受力情况对液压支架安全性至关重要。

传统液压支架的结构中，体积重量较大的部件包括顶梁、掩护梁、立柱、底座[1]等。在液压支架升降柱、行走、推移运输机等过程中由多个液压机共同推动。为了达到足够的抗弯、抗压强度和刚度要求，液压支架设计和生产过程中通常采用锻压成型碳钢为基础材料制备，其密度和重量通常较大，所消耗能量甚巨。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。重量巨大的支架在工作推移过程中需要使用液压油缸，移架较慢，能量损耗巨大，且无法做到电缸级别的精确控制，严重限制了工作面智能化、无人化发展。支架在井下拆卸、维修、运输都需要投入大量的能源动力，影响采煤生产效率。

在未来井下智能化的发展格局下，液压支架的轻量化是必然趋势。目前国内外对液压支架轻量化主要通过3个设计途径：布局架构设计、基体材料设计和制造工艺设计。

1.布局架构设计

布局架构设计指的是在不改变液压支架使用材料工艺和类别的条件下，通过有限元分析、神经网络模拟等方法计算液压支架在不同工况下各组件的受力分布状态，建立各种优化目标下的工件优化模型，继而通过结构的改变，减少钢材的使用量。王邦祥等[2]利用神经网络近似模型对液压支架底座进行了优化设计。以Minor线性疲劳累积损伤理论和S-N曲线推到底座疲劳寿命达到N次时的疲劳应力值，结合RBF神经网络近似模拟和遗传算法相结合的方式实现了底座9%以上的设计结构轻量化（图1）。薛聪[3]采用仿真分析软件建立实体三维模型，结合实际应用情况和应用现状，针对液压支架最危险的工况状态（顶梁扭转状态、底座两端同时加载状态）进行分析，将网格大小设定为35mm，网格总数约两万个。通过仿真计算发现，危险工况状态下应力主要分布在顶梁内的前半部分和底座内侧支撑部。

通过以上理论计算分析，可以针对性地进行布局架构调整。分析液压支架应力云图，各部分受力特点，对支架各部位进行拓补优化设计，在保证刚度和安全性的前提下，降低液压支架的质量。对于严苛工况下的主应力分布区维持现有状态或增加强化梁，在应力分布较小的区域降低钢材用量，降低应力承载冗余，可有效减小支架的总重量[4]。

2.基体材料设计

传统液压支架主要使用高强结构钢为基体材料。钢铁材料经过百余年的发展，生产工艺、制造技术较为成熟，价格相对低廉。然而，钢铁材料密度过高的特点成为液压支架沉重的主要原因。因此，制造基材角度出发，寻找新型合金和复合材料是液压支架轻量化必经的发展方向。

2.1 轻质合金材料

轻质合金是以铝（2.70g/cm3）镁（1.74g/cm3）钛（4.50g/cm3）等具有低密度高强度金属为主要成分的合金，通过掺杂铜、锰、硅、镁、锌、锆、铌、铬等元素调控强度、塑形、耐蚀性。轻质合金在航空航天、医疗器械、石油化工、智能汽车、新型发动机、水力发电、电子设备等各行业中有广泛应用。针对井下防爆放火的特殊要求，部分轻质合金不能直接暴露在外，因此可以选用钛镁合金为主要基体，在外侧包覆有机树脂，从而对钢材进行替代[5]。

2.2 金属/有机复合材料

复合材料是由多种不同特性的原料根据结构特点和理化性质，以一定的复合工艺制备出的结构件。马希青等[6]通过设计复合金属板材，在液压支架的受力集中处焊接或粘连强化件以达到提升局部性能和有效降重的效果。王芳芳[7]通过有限元分析受力情况，得到复合结构的合理设计，经过计算得到了焊板厚度与支架最大应力和许可应力建的关系，并使用16Mn作为增强结构进行了有效复合。

2.3 碳纤维复合材料

碳纤维具有抗拉强度极高，弹性模量大、稳定性强、重量轻等一系列优点，被视为复合结构材料的未来。碳纤维材料在汽车制造、航空航天、军/民用设备等众多领域已有广阔应用。如图2所示，碳纤维增强复合材料可分为短碳纤维增强和长碳纤维增强，其中短碳纤维增强主要依靠纤维与基体之间的浸润后的预压缩应力、纤维拔出、裂纹偏转和纤维桥接等，而长碳纤维则通过预先编织好的结构件作为骨架，再在外层进行封塑，使复合材料具备极强的内部预应力，以抵消外部受力。通常情况下，短碳纤维复合后的材料强度提升可达40%[8]，而长碳纤维编织结构复合材料则可将材料强度提升数倍到数十倍[9]。液压支架的顶梁、掩护梁、立柱部分大都承受剪应力。若在应力应变较大的区域使用碳纤维复合材料，可以极大程度地提升液压支架的承载重量，同时做到自身重量的大幅减轻。

图2 碳纤维增强复合材料

3.制造工艺设计

目前的液压支架各部分组件生产制造依然停留在各自模块―加工―焊接―组装的工艺形式，没有针对液压支架总体进行制造工艺优化设计。曹连民等[10]从液压支架加工制造角度出发，在支架结构选材、整版下料、焊接、切割等流程进行整体设计，在保证力学稳定的前提下有效控制了支架的总体重量，通过部分结构弧装镂空或使用泡沫金属结构设计，尽量减少各组合部件的数量，可以通过各部件的一次成型或激光选区熔化（SLM），从而减少因部件连接造成的支架重量增加，同时增加连接处的安全可靠性，减少接触面间的腐蚀，实现支架的轻量化。

液压支架底座承受力分布较为均匀，而目前底座较多采用板式结构进行制造。针对这一状况，可以将液压支架底座改为中空箱式结构，外壁采用薄壁超强钢进行加固。在箱式结构上侧留有开口，针对复杂顶底板情况，可充入水或沙子进行重心稳固。王宜君[11]对液压支架底座进行箱式设计，在满足强度要求的前提下，液压支架底座重量大幅下降。

在加工制造过程中若使用多种复合材料，在制造过程中，需要根据不同的材质开发针对性的连接技术。传统钢材的连接技术包括焊接、铆接、螺接等[12]。这些技术无法满足碳纤维复合材料、轻质合金、高强钢等结构的连接。对于轻质合金，应采用冷链接的方法，而碳纤维复合材料和金属/非金属复合材料则应采用胶接和机械连接并行的方式。