浅析煤矿用液压支架的轻量化设计

邵灵敏++张志远

[摘  要]对于我国煤矿开采工作来说，液压支架是这一工作展开的关键设备之一，其不仅直接关系着煤矿开采作业的安全，更直接影响采煤综合效率。在笔者的调查中发现，两柱掩护式液压支架是我国煤矿开采中应用最多的液压支架，其本身具备着结构简单、可靠性高、稳定性好等优势，而为了进一步提高这一液压支架的实用性，本文就两柱掩护式液压支架的轻量化设计进行了具体研究，希望能够在降低其本身生产成本、制造周期的同时，提高这一支架的综合性能。

[关键词]液压支架  煤矿用  轻量化

中图分类号：TD355.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0107-01

前言：在我国当下及今后的很长一段时间，煤炭都将是我国工业生产与日常生活的主要能源，为此我国煤炭开采业就必须不断升级自身的开采技术与开采设备。在本文的研究中，笔者致力于实现两柱掩护式液压支架的轻量化发展，并希望能够以此为我国煤炭开采提供较为有力的支持。

1.煤矿用液压支架概述

为了能够对煤矿用液压之间进行较好的轻量化设计，我们首先就需要深入了解液压支架，结合相关文献资料笔者将煤矿用液压支架定义为“控制采煤工作面所受的矿山压力，支护矿井顶板，隔离采空区阻挡矸石进入工作面，保障安全的工作空间，并能推移其他综采设备的煤炭综采工作面配套的支护设备”[1]。

对于煤矿用液压支架来说，其主要由承载结构件、执行元件、控制元件、辅助装置等四大部分组成，这一部分划分主要依据各部分的不同功能与作用。具体来说，在煤矿用液压支架的承载结构件中，其主要由底座、连杆、尾梁、顶梁、掩护梁以及护帮装置等具体部件组成，承载结构件属于这一煤矿用液压支架的主要机械结构;而执行元件这一部分，其主要包括立柱和其他各种千斤顶，这一部分在整个煤矿用液压支架中发挥辅助效用;而在控制元件部分中，这一部分主要包括液压系统控制阀、隔离阀以及各种操纵阀;而辅助装置部分则主要包括护帮装置、挡矸装置、推移装置、复位装置、照明装置、喷雾装置、防倒防滑装置等[2]。

2.液压支架轻量化设计

2.1 煤矿用液压支架的拓扑优化

所谓煤矿用液压支架的拓扑优化，指的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，以此实现轻量化设计的一种优化设计方式，这一优化具备着设计自由度与设计空间较大的优点，这也使得这种设计的轻量化效果较为明显，其本身具备着发展前景广阔但受当下制造工艺制约的特点。

2.1.1优化目标

在本文所进行的煤矿用液压支架拓扑优化中，笔者选择了有限元软件Abaqus，这一软件是这类问题计算最为准确的软件之一，结合这一软件笔者就将对两柱掩护式液压支架进行具体的拓扑优化，以此实现这一煤矿用液压支架的轻量化设计追求。在这一优化过程中，我们首先需要确定这一优化的目标，即支架

整体应力最小，这样我们就可以得到优化目标函数。

2.1.2优化变量

在确定这一煤矿用液压支架的拓扑优化目标后，我们还需要确定其优化变量，这一优化变量主要包括支架的结构特点、生产特点、选取顶梁的下表面中部、掩护梁的下表面以及内部结构为拓扑优化区域等方面，由此我们就可以得到优化变量的取值范围：“”[3]。

2.1.3约束条件

在这一煤矿用液压支架的拓扑优化的变量确定后，我们还需要确定这一优化的约束条件，即应力约束与体积约束两个部分，结合笔者查找的相关权威文献资料，笔者认为约束支架整体结构的应力不超过660MPa，而约束优化后体积最大为原始体积的0.96倍，结合这些信息，我们就能够得出体积约束的约束条件为，应力约束的条件为。

2.1.4优化结果

结合Abaqus有限元软件得出了如图1所示的支架新建网络模型。

为了验证这一最终得出的支架新建网络模型的整体性能，笔者对这一模型的支架强度分析各工况的最大应力值进行了分析，这一分析得出了优化后支架各工况的最大应力值仍在极限范围内，而其本身质量降低了1.0046×103Kg，由此我们能够得出这一拓扑优化在保证液压支架性能的同时使得两柱掩护式液压支架实现了3.018%的轻量化。

2.2 煤矿用液压支架的尺寸优化

除了拓扑优化外，我们还可以通过尺寸优化的方式完成两柱掩护式液压支架的轻量化设计，这一设计笔者选择了Hyper Mesh与Hyper Study软件进行联合优化，首先笔者确定了的优化目标，这一目标的方向是液压支架整体质量最小。而在优化变量的选择中，笔者主要对煤矿用液压支架的顶梁、掩护梁、连杆、底座等部件进行了支架优化设计变量的选取范围总结，而结合上文中拓扑优化相同的约束条件，我们就能够在Hyper Mesh软件中设置好参数，通过同时使用Abaqus求解器进行计算，得出这一煤矿用液压支架的尺寸优化结果，同样介于篇幅原因这里不对这一结果进行详细描述，但将这一结果与尺寸优化前的液压支架进行对比，我们仍旧能够发现液压支架的最大应力值处于材料的强度极限范围内，而这一尺寸优化使得两柱掩护式液压支架的重量减轻了0.7244×103Kg，由此我们能够得出这一尺寸优化在保证液压支架性能的同时使得两柱掩护式液压支架实现了2.244%的轻量化。

2.3 拓扑优化与尺寸优化相结合

结合上文中我们对两柱掩护式液压支架进行的拓扑优化与尺寸优化，我们能够清楚的发现这两种优化的轻量化数值分别为3.018%与2.244%，这一轻量化结果显然不能够较好的满足我们需求，为此笔者对这一两柱掩护式液压支架先后进行了拓扑优化与尺寸优化，这一优化使得两柱掩护式液压支架的重量降低了1.729×103Kg，这表明了这一拓扑优化与尺寸优化相结合的方式使得两柱掩护式液压支架的轻量化达到了5.195%，而这一优化后支架材料强度范围仍旧符合规定，由此我们就能够得出这一轻量化设计已经能够用于两柱掩护式液压支架实际生产的结论。

结论：在本文进行的煤矿用液压支架轻量化设计中，笔者先后对两柱掩护式液压支架进行了拓扑优化与尺寸优化，并最终通过两种优化结合的方式较好的实现了煤矿用液压支架的轻量化设计，这一设计由于经过了数据验证，具备着较高的可行性，笔者认为其能够在一定程度上推动我国煤矿用液压支架轻量化的相关发展。

参考文献：

[1]周谦.ZY10000/22/45D矿用液压支架液压系统的设计与仿真[D].西安科技大学，2014.

[2]张燕.丰田生产方式在液压支架总装线上的应用[D].西安科技大学，2014.

[3]罗兵.浅谈煤矿用液压支架的设计制造要点[J].科技创新导报，2012，15：67.

作者简介：

邵灵敏（1983.03--）;性别：女，籍贯：山东潍坊人，学历：本科，毕业于南昌航空大学;现有职称：中级工程师;研究方向：煤矿机械;

第二作者 姓名：张志远（1983.02--）;性别：男