浅析数值仿真技术在液压支架方面的应用研究与展望

张放 靳予记

郑州工业应用技术学院 机电工程学院 河南省郑州市 450000

1 引言

随着我国工业4.0的提出，煤炭开采作为我国重要的工业，如何在安全的前提下提高煤炭开采效率，促进我国经济发展成为亟待解决的问题。液压支护设备作为煤炭开采的保护伞，研究液压支架的性能参数，提高煤炭开采效率成为重要任务。随着互联网技术的发展，计算机已应用于各行各业，计算机仿真技术已应用与液压支护设备的研究当中，并对液压支架参数的修正起到重要的作用。

2 液压支架的研究现状

我国在20世纪70年的开始研究液压支架技术，该技术的兴起促进我国煤炭行业的迅速发展，大概10年的时间内，液压支架在综采设备中已经占据了重要的地位，为煤炭安全的开采提供了重要的保障。90年代之后，液压支护设备迅速发展，主要是对液压设备参数、性能及可靠性等方面进行研究。1991年，我国北京煤矿机械厂研制出第一套电液控制的液压支架，在该液压支架的基础上进行改进，在随后的5年内开发出第二代电液控制系统，并且在井下工业试验成功，验证了该项技术的性能、科技成果的巨大发现。从此液压支架、采煤机、输送机三机器联动开启全面自动化研制阶段。1994年，西安矿业学院简述了液压支架技术和CAD技术相结合的研究现状，阐述液压支架研究的理论研究、计算机绘图在液压支架研究做出的巨大贡献，并对两者之间的发展指出了4个方向，给未来液压支架的研究奠定了基础[1]。2007年，北京矿业大学孙文针对当前所兴起的虚拟样机技术，提出该技术在液压支架方面的应用的观点，并对虚拟样机技术在液压支护设备的应用前景进行了展望[2]。2011年煤炭科学研究院张志清对国内外液压支架试验台的研究现状、前景进行了详细的叙述，并对未来的发展趋势进行了总结和分析，为试验台的设计和开发提供了重要的参考价值[3]。2017年，中原工学院刘芳对液压支架进行计算分析验证了液压系统设计的合理性，并通过增加液压管道路径，提高了液压支架的平移的速度大小，用AMESIM建立仿真实际工况的模型，进一步验证了该设计的合理性[4]。2021年，陈黎运用AMESim软件建立液压控制回路模型，研究调节控制元件的参数对动态性能的影响，证明增大排量、减小内部压力冲击频率可以提高液压缸的平稳性[5]。2021年，中国矿业大学的李伟以煤矿意外坍塌事故为出发点，研究液压支架横梁的受力变化，找到受损严重部位，并才有数值仿真进行模拟分析，由应力云图和变形云图得到受载点，为液压支架强度设计奠定基础[6]。2022年，崔拥军液压叶支架的推移装置及逆行手里状况和工作性能分析，指出再复杂多变受力下其破坏比较严重，为后续液压支架推移装置的设计提供数据支持[7]。

3 数值仿真技术在液压支架的应用

20世纪90年代开始诸多学者和研究人员开始将三维建模、数值仿真技术应用到液压支架方面的研究，利用有限元技术完成液压支架关键部位的受力分析，得出载荷作用下液压支架的薄弱点，进而进行对该结构进行优化设计，提高液压支架的安全性能。2008年，中国矿业大学臧峰提出液压支架参数模块化的概念，对液压支架系统进行模块化划分，利用Pro/E技术研究液压支架自动装配方法、相关约束，模拟完成液压支架自动装配[8]。2017年，辽宁工程技术大学刘希福为了研究短采工作面的安全性和生产效率，建立围岩结构模型，建立行走式液压支架支护状态下的动力数学模型，用Soildworks和ADAMS软件技术建立虚拟样机模型，基于实际工况仿真研究液压支架的性能参数，并完善了液压支架的控制方法，同时为液压支架结构的优化设计提供了重要的依据[9]。2018年，安徽理工大学王成军等人在三自由度基础上，在实际工况下，用Workbench软件建立液压支架的支撑机构的仿真模型，得到实际工况下所需要的参数，证明在三个方向上都具有很好的卸载能力，同时提高支护设备的稳定性和支撑能力[10]。2019年，安徽理工大学苏荣海为了研究液压支架的稳定性和安全性，采用并联机构解决高精密、高承载的问题，基于理论基础上设计两款新型的并联液压支架。用动力学软件ADAMS完成并联机构的运动模型，用有限元Workbench软件建立围岩的耦合模型，对其刚度、强度等相关可靠性参数分析，并将Solid works建立的液压支架的三维模型导入到ADAMS中进行运动学分析，获得各项运动学参数。后期对相关参数进行优化设计，完成关键零部件的改进设计，提高了刚度和承载能力[11]。2020年，西安科技大学郭博洋建立采煤机截割、支护等三维模型，再用Stateflow进行仿真，分析出综采自动化下的工艺，进而实现生产、成本的最优方案，实现了采煤机和支护设备的最佳配合方案实现了安全生产[12]。2021年，东北大学韩晨怡为研究液压支架顶梁强度特性建立液压支架整机的三维模型，在底座设置不同的约束边界，结果表明加载载荷的不对称导致底座接触不完全，并指出试验结果和仿真结果相接近的方法，为液压支架应力方面的研究提供数据支持[13]。

4 液压支架参数优化研究

随着数值仿真技术在液压支架方面的研究与应用，煤矿机械采用联合仿真技术对液压支参数优化研究是失分重要的，对液压支架机械结构、参数大小等相关因素进行优化设计，进而达到提高煤炭开采率，提高液压支架的性能，提高井下煤炭开采的安全的目的。液压支架的主要优化结构有：顶梁、回撤设备、底座、伸缩护帮结构等采用有限元仿真，得到应力云图，进而得到结构危险位置，再进行优化设计获得强度安全、工作稳定结构合理的液压支护设备。

2007年，河北工程大学崔汉涛对液压支架的结构、形状，研究结构的演变技术，完成新型液压支架的设计。用pro/e软件完成垂直导杆型液压支架整机模型的建立，以减少整机模型的重量为设计目标，使顶梁在设计中重量减少19%，采用现代技术完成整体的设计，给以后的液压支架的设计提供了参数依据[14]。2008年，辽宁工程技术大学刘文武为了研究高产高效的采煤生产目标，对四连杆液压支架进行系统分析，以VB为开发平台，编辑液压支架放顶煤的受力情况、运动情况，再用有限元模型完成结构强度验证，完成顶梁箱体的优化[15]。2011年，郑州大学姚向豫以提高经济效益为目的，以液压支架为分析原型，用pro/e建立各个零部件的三维模型，完成装配模型。完成之后利用干涉模型检查该装配的合理性。再将掩护梁零件导入到有限元中，得到其应力、应变模型，再建立数字优化模型之后完成该零部件的优化结构设计。同时液压支架的重量减少了6%左右，设计一套现代的液压支架设备[16]。2014年，辽宁工程技术大学朱天龙针对液压支架耗材多、体积大、笨重等缺陷，以掩护式液压支架为原型，对液压支架的关键零部件顶梁进行优化设计仿真。采用三维软件SolidWorks完成液压支架的整体模型的创建，运用ANSYS完成静力强度分析，找到顶梁承载力薄弱点，并通过添加筋厚和数量的方法解决降低顶梁的承载力力，最终使其重量减少了12%左右[17]。2016年，河北科技大学崔坚用三维软件设计出液压支架三维参数化设计系统，并用经典设计理论对四连杆型的液压支架进行了优化设计，大大减少了液压之间参数设计的重复性，并对液压支护设备参数化、系列化提供了重要的依据。对矿山机械的研发提供了重要的参考价值[18]。2017年，煤炭总院庞义辉对大采高液压支架护帮结构进行优化设计，建立简化的围岩模型，采用动力学仿真技术（ADAMS）进行仿真计算，得到液压支架千斤顶初期遇到很大的载荷，进而采用“悬臂梁+砌体梁”结构，可以有效的抑制破坏体的滑落失稳。其护帮力的大小、可靠性均优于先前的护帮板与伸缩梁连体结构[19]。2018年，内蒙古科技大学的高耀东、颜鹏贺研究关于四杆机构的尺寸严重影响液压支架的工作性能，利用有限元软件ANSYS对液压支架仿真，通过各个构件的运动学参数进行特性分析，并针对薄弱结构进行优化设计分析，减少了液压支架的重量，提高其本结构的性能，并且分析结果也可以用在对液压支架的评价方面，证明了有限元ANSYS在液压支架方面运动学仿真和优化方案的可行性[20]。2019年，河南工程学院刘军对液压支架掩护梁的可靠性进行有限元仿真，在确保掩护梁安全的基础之上，进行应力约束，改善了掩护梁的压力，并对其结构的质量减少。将可靠性技术和仿真技术进行有效的结合，为后续液压支架的研究提供了新的方面[21]。2020年，辽宁工程技术大学刘欢为研究液压支架抗冲击性能，采用遗传算法对直纹管尺寸进行优化，设计出一组新的直纹管尺寸，并采用有限元技术验证了该尺寸的直纹管尺寸的可行性[22]。2021年，沈阳工业大学王鑫昊对液压支架的回撤设备整体结构分析，针对于目前液压支架回撤设备尺寸过大、运输困难等主要问题，复杂煤层的环境下，采用Solid Works完成三维模型的建立，用ANSYS对回撤设备静力强度分析，并验证了该结构的合理性[23]。

5 结论与展望

本文综述了液压支护设备-液压支架的研究现状、数值仿真技术在液压支架方面的应用以及采用联合仿真技术对液压支架重要的结构进行强度分析、结构优化等方面的研究进行了阐述。但是液压支架的结构比较复杂，所处的开采环境更为复杂，目前煤炭开采的安全问题依旧是重要问题，液压支架进行多方面的研究与改进依旧是专家学者的研究方向，还应对一下两个方面进行研究：

（1）液压支架工作环境比较复杂，需要将振动、温度、应力等相关测试技术相结合，对液压支护设备进行综合分析，可以获得准确的诊断结果。

（2）将数值仿真技术和试验台相结合，研究影响液压支架的重要参数及结构。才有pro/E进行三维建模，MATLAB软件进行载荷的数据处理，在有限元ANSYS中进行强度分析，最后利用实验台进行实际结构的验证，使实验结构更具有可靠性。