矿用液压支架优化设计分析

辽宁工程职业学院 陶丽花

液压支架是煤炭综采机械化设备中最关键的一种，它的设计与加工技术的研究进展直接关系到煤矿开采进展、开采效率，其价值占到综采工作面设备总价值的多半以上，为此需要对液压支架整体基于有限元理论建立液压支架-土壤系统的承载变形模型和基于多体系统传递矩阵法建立液压支架-土壤系统的动力学模型对其进行综合评价。

1.引言

国外学者对此开展了相应的研究, Gao B Z等采用 Monte Carlo法确定不可测机械零件载荷谱。Kato Y等采用理论编谱的方法，综合考虑液压支架在工作过程中的真实历程及极限状况，建立了满足井下作业的液压支架疲劳载荷谱。

国内武红霞等采用APDL参数语言创建顶梁的概率分析文件，把载荷、材料性能作为服从正态分布的随机变量，在PDS模块中进行了可靠性分析；陈晓鹏等基于VB和Pro/E对液压支架进行了载荷设计与实体建模；林忠明等从静力学角度对大倾角条件下综放开采液压支架抗倾覆、滑移、扭斜稳定进行了分析；但是还没有用基于多体系统传递矩阵法建立液压支架-土壤系统的动力学模型的相关研究。

在实际工况中，土壤受液压支架整机及上部载荷作用，其刚度直接影响着液压支架的承载能力，忽略土壤影响的整机模型偏不安全，国内、外的研究都存在此不安全因素。因此本论文将基于多体系统传递矩阵法建立了液压支架-土壤系统力学模型，并开展不同液压介质体积弹性模量、不同活塞有效面积对活柱最大退缩量的影响研究。同时考虑土壤环境而建立的液压支架的承载变形模型和动力学模型，通过改进粒子群算法完成液压支架优化设计。这将对提高液压支架工作性能、降低生产成本从而建立一种更具可靠性的液压支架优化模型以此提高液压支架动静特性的分析精度将具有相对重要意义。

2.技术路线

第一，针对液压支架的动态性能严重影响采掘安全的情况，考虑土壤属性对液压支架系统的影响，将液压缸等效为弹簧、阻尼，将采用多体传递矩阵法建立液压支架系统动力学模型，通过与有限元仿真值对比，验证理论模型的正确性，基于此模型会开展不同液压介质体积弹性模量、不同活塞有效面积对活柱最大退缩量的影响研究，会为提高采掘安全与指导液压支架的设计提供理论依据。

第二，由于液压支架质量过大，不仅造成成本浪费而且不易于井下运输、安装，为此本论文会首先通过建立应变能方程推导了梁单元的内应力表达式，根据刚度定义，推导材料刚度和几何刚度矩阵，从而获得非线性梁单元的切线刚度矩阵，然后考虑土壤对液压支架系统的影响建立液压支架-土壤系统非线性有限元模型。

第三，最后将会以顶梁与掩护梁质量及承载变形最小为优化目标，基于改进的粒子群算法，在ISIGHT优化软件中连接MATLAB设定优化的目标函数及优化算法，从而完成液压支架的优化设计。

课题研究的技术路线：

首先，基于非线性有限元理论，建立液压支架-土壤系统的承载变形模型。

然后，基于多体系统传递矩阵法,建立液压支架-土壤系统的动力学模型。

最后，应用上述模型，采用改进粒子群算法完成液压支架优化分析。

技术路线如图1所示：

图1

3.结论

本文考虑土壤对液压支架的特性影响，建立了液压支架-土壤系统非线性有限元力学模型，基于此模型采用粒子群法优化了顶梁和掩护梁从而达到液压支架的优化设计。