邵靈敏++張志遠(yuǎn)

[摘 ?要]對(duì)于我國(guó)煤礦開(kāi)采工作來(lái)說(shuō)，液壓支架是這一工作展開(kāi)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其不僅直接關(guān)系著煤礦開(kāi)采作業(yè)的安全，更直接影響采煤綜合效率。在筆者的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，兩柱掩護(hù)式液壓支架是我國(guó)煤礦開(kāi)采中應(yīng)用最多的液壓支架，其本身具備著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，而為了進(jìn)一步提高這一液壓支架的實(shí)用性，本文就兩柱掩護(hù)式液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體研究，希望能夠在降低其本身生產(chǎn)成本、制造周期的同時(shí)，提高這一支架的綜合性能。

[關(guān)鍵詞]液壓支架 ?煤礦用 ?輕量化

中圖分類(lèi)號(hào)：TD355.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）24-0107-01

前言：在我國(guó)當(dāng)下及今后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，煤炭都將是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)與日常生活的主要能源，為此我國(guó)煤炭開(kāi)采業(yè)就必須不斷升級(jí)自身的開(kāi)采技術(shù)與開(kāi)采設(shè)備。在本文的研究中，筆者致力于實(shí)現(xiàn)兩柱掩護(hù)式液壓支架的輕量化發(fā)展，并希望能夠以此為我國(guó)煤炭開(kāi)采提供較為有力的支持。

1.煤礦用液壓支架概述

為了能夠?qū)γ旱V用液壓之間進(jìn)行較好的輕量化設(shè)計(jì)，我們首先就需要深入了解液壓支架，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料筆者將煤礦用液壓支架定義為“控制采煤工作面所受的礦山壓力，支護(hù)礦井頂板，隔離采空區(qū)阻擋矸石進(jìn)入工作面，保障安全的工作空間，并能推移其他綜采設(shè)備的煤炭綜采工作面配套的支護(hù)設(shè)備”[1]。

對(duì)于煤礦用液壓支架來(lái)說(shuō)，其主要由承載結(jié)構(gòu)件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助裝置等四大部分組成，這一部分劃分主要依據(jù)各部分的不同功能與作用。具體來(lái)說(shuō)，在煤礦用液壓支架的承載結(jié)構(gòu)件中，其主要由底座、連桿、尾梁、頂梁、掩護(hù)梁以及護(hù)幫裝置等具體部件組成，承載結(jié)構(gòu)件屬于這一煤礦用液壓支架的主要機(jī)械結(jié)構(gòu);而執(zhí)行元件這一部分，其主要包括立柱和其他各種千斤頂，這一部分在整個(gè)煤礦用液壓支架中發(fā)揮輔助效用;而在控制元件部分中，這一部分主要包括液壓系統(tǒng)控制閥、隔離閥以及各種操縱閥;而輔助裝置部分則主要包括護(hù)幫裝置、擋矸裝置、推移裝置、復(fù)位裝置、照明裝置、噴霧裝置、防倒防滑裝置等[2]。

2.液壓支架輕量化設(shè)計(jì)

2.1 煤礦用液壓支架的拓?fù)鋬?yōu)化

所謂煤礦用液壓支架的拓?fù)鋬?yōu)化，指的是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)域計(jì)算出最佳的形狀以及最優(yōu)的材料分布，以此實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，這一優(yōu)化具備著設(shè)計(jì)自由度與設(shè)計(jì)空間較大的優(yōu)點(diǎn)，這也使得這種設(shè)計(jì)的輕量化效果較為明顯，其本身具備著發(fā)展前景廣闊但受當(dāng)下制造工藝制約的特點(diǎn)。

2.1.1優(yōu)化目標(biāo)

在本文所進(jìn)行的煤礦用液壓支架拓?fù)鋬?yōu)化中，筆者選擇了有限元軟件Abaqus，這一軟件是這類(lèi)問(wèn)題計(jì)算最為準(zhǔn)確的軟件之一，結(jié)合這一軟件筆者就將對(duì)兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行具體的拓?fù)鋬?yōu)化，以此實(shí)現(xiàn)這一煤礦用液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)追求。在這一優(yōu)化過(guò)程中，我們首先需要確定這一優(yōu)化的目標(biāo)，即支架

整體應(yīng)力最小，這樣我們就可以得到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

2.1.2優(yōu)化變量

在確定這一煤礦用液壓支架的拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)后，我們還需要確定其優(yōu)化變量，這一優(yōu)化變量主要包括支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)特點(diǎn)、選取頂梁的下表面中部、掩護(hù)梁的下表面以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)為拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域等方面，由此我們就可以得到優(yōu)化變量的取值范圍：“”[3]。

2.1.3約束條件

在這一煤礦用液壓支架的拓?fù)鋬?yōu)化的變量確定后，我們還需要確定這一優(yōu)化的約束條件，即應(yīng)力約束與體積約束兩個(gè)部分，結(jié)合筆者查找的相關(guān)權(quán)威文獻(xiàn)資料，筆者認(rèn)為約束支架整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不超過(guò)660MPa，而約束優(yōu)化后體積最大為原始體積的0.96倍，結(jié)合這些信息，我們就能夠得出體積約束的約束條件為，應(yīng)力約束的條件為。

2.1.4優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合Abaqus有限元軟件得出了如圖1所示的支架新建網(wǎng)絡(luò)模型。

為了驗(yàn)證這一最終得出的支架新建網(wǎng)絡(luò)模型的整體性能，筆者對(duì)這一模型的支架強(qiáng)度分析各工況的最大應(yīng)力值進(jìn)行了分析，這一分析得出了優(yōu)化后支架各工況的最大應(yīng)力值仍在極限范圍內(nèi)，而其本身質(zhì)量降低了1.0046×103Kg，由此我們能夠得出這一拓?fù)鋬?yōu)化在保證液壓支架性能的同時(shí)使得兩柱掩護(hù)式液壓支架實(shí)現(xiàn)了3.018%的輕量化。

2.2 煤礦用液壓支架的尺寸優(yōu)化

除了拓?fù)鋬?yōu)化外，我們還可以通過(guò)尺寸優(yōu)化的方式完成兩柱掩護(hù)式液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)筆者選擇了Hyper Mesh與Hyper Study軟件進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，首先筆者確定了的優(yōu)化目標(biāo)，這一目標(biāo)的方向是液壓支架整體質(zhì)量最小。而在優(yōu)化變量的選擇中，筆者主要對(duì)煤礦用液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、連桿、底座等部件進(jìn)行了支架優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選取范圍總結(jié)，而結(jié)合上文中拓?fù)鋬?yōu)化相同的約束條件，我們就能夠在Hyper Mesh軟件中設(shè)置好參數(shù)，通過(guò)同時(shí)使用Abaqus求解器進(jìn)行計(jì)算，得出這一煤礦用液壓支架的尺寸優(yōu)化結(jié)果，同樣介于篇幅原因這里不對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)描述，但將這一結(jié)果與尺寸優(yōu)化前的液壓支架進(jìn)行對(duì)比，我們?nèi)耘f能夠發(fā)現(xiàn)液壓支架的最大應(yīng)力值處于材料的強(qiáng)度極限范圍內(nèi)，而這一尺寸優(yōu)化使得兩柱掩護(hù)式液壓支架的重量減輕了0.7244×103Kg，由此我們能夠得出這一尺寸優(yōu)化在保證液壓支架性能的同時(shí)使得兩柱掩護(hù)式液壓支架實(shí)現(xiàn)了2.244%的輕量化。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化相結(jié)合

結(jié)合上文中我們對(duì)兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行的拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化，我們能夠清楚的發(fā)現(xiàn)這兩種優(yōu)化的輕量化數(shù)值分別為3.018%與2.244%，這一輕量化結(jié)果顯然不能夠較好的滿(mǎn)足我們需求，為此筆者對(duì)這一兩柱掩護(hù)式液壓支架先后進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化，這一優(yōu)化使得兩柱掩護(hù)式液壓支架的重量降低了1.729×103Kg，這表明了這一拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化相結(jié)合的方式使得兩柱掩護(hù)式液壓支架的輕量化達(dá)到了5.195%，而這一優(yōu)化后支架材料強(qiáng)度范圍仍舊符合規(guī)定，由此我們就能夠得出這一輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠用于兩柱掩護(hù)式液壓支架實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)論。

結(jié)論：在本文進(jìn)行的煤礦用液壓支架輕量化設(shè)計(jì)中，筆者先后對(duì)兩柱掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化，并最終通過(guò)兩種優(yōu)化結(jié)合的方式較好的實(shí)現(xiàn)了煤礦用液壓支架的輕量化設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)由于經(jīng)過(guò)了數(shù)據(jù)驗(yàn)證，具備著較高的可行性，筆者認(rèn)為其能夠在一定程度上推動(dòng)我國(guó)煤礦用液壓支架輕量化的相關(guān)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]周謙.ZY10000/22/45D礦用液壓支架液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[D].西安科技大學(xué)，2014.

[2]張燕.豐田生產(chǎn)方式在液壓支架總裝線(xiàn)上的應(yīng)用[D].西安科技大學(xué)，2014.

[3]羅兵.淺談煤礦用液壓支架的設(shè)計(jì)制造要點(diǎn)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，15：67.

作者簡(jiǎn)介：

邵靈敏（1983.03--）;性別：女，籍貫：山東濰坊人，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于南昌航空大學(xué);現(xiàn)有職稱(chēng)：中級(jí)工程師;研究方向：煤礦機(jī)械;

第二作者 姓名：張志遠(yuǎn)（1983.02--）;性別：男