矿井液压支架底座结构的优化设计

王锐兵

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046699）

引言

矿井液压支架是综采工作面的安全生产设备。液压支架通过自身的结构作用力，保障一线作业人员有足够安全的作业空间。通过支撑上部围岩的重量，确保煤炭开采能够顺利进行。液压支架通过液压缸内高压油液对各个承载部件进行伸缩，根据工作面的地质形状改变支撑位置，关系到整个开采过程的生产安全。面对恶劣的矿井环境，液压支架的升柱、降柱都受到了较大的冲击载荷以及振动力作用。尤其是液压支架的底座是承载上部载荷的关键部件，底座的抗冲击性能关系到液压支架的安全性[1]。由于地质情况的变化，底座发生受扭破坏的情况较多，在设计时所选用的安全系数较低，容易使得支架发生倾倒。因此，应提升液压支架底座的结构强度并且实现减重设计。

1 ZF3880/20/30型液压支架简介

ZF3880/20/30型液压支架主要应用于中薄煤层，其组成构件包括顶梁、底座、立柱、尾梁等关键部件。单个液压支架的质量为11.54 t。在综采工作面中，对矿井恶劣作业环境的适应性较强，尤其在坡度小于10°倾斜煤层中能充分发挥出工作性能[2]。该型号液压支架可沿底板一次性放顶煤作业，在紧急或特殊环境中也可用急倾斜特厚煤层，实现综采工作面的分层放顶煤开采。主要的性能特点为纵横向稳定性好、支护能力较强、作业灵活性较高、对顶板适应性强[3]。

2 液压支架底座仿真模型的建立

2.1 工具软件的连接

为了确保ZF3880/20/30型液压支架仿真计算有良好的兼容性，采用Pro/E三维建模软件与ANSYS Workbench仿真软件相结合，通过CAD/CAE的通讯接口实现仿真协同环境的建立。利用Pro/E在三维建模方面的专业性以及ANSYS Workbench强大的仿真计算及优化模块，对液压支架底座进行仿真计算。

2.2 液压支架底座三维模型建立

采用Pro/E软件建立液压支架底座时，有必要对结构的零碎构件进行去除，适当进行简化处理，提高仿真计算的效率并且避免网格畸形。简化位置主要包括倒角、圆角、小孔等对整体受力影响不大的部位。作出适当的假设，将焊接部位看作是整体结构的一部分。按照ZF3880/20/30型液压支架底座1∶1的大小建立起底座三维模型，如图1所示。

图1 液压支架底座三维模型示意图

2.3 液压支架底座仿真网格模型

首先应该对液压支架的底座材料进行设定，设置整体材料为Q550高强度结构钢，具体参数：弹性模量为2.06e+5 MPa、波松比为0.28、屈服强度为550 MPa、抗拉强度为630、伸长率为>16%[4]。为了提高液压支架底座的计算精度，采用8节点6面体网格单元，对底板耳板、柱窝容易出现应力集中的部位，将网格进一步细化。网格单元数目为647 188节点，数目为1 046 578，如下页图2所示。

图2 液压支架底座网格模型图

其次设置液压支架底座的边界条件，将底座下部的大地模型设置为无反射边界，将底座三个方向X、Y、Z进行位移约束[5]。由于底座受到的液压作用力为动载荷形式，考虑到底座极限受力情况，采用最大静态力的分析方法，施加静态作用力大小为动载力的1.5倍，作用力大小为8 320 kN，底座每个柱窝处的大小为2 080 kN。

3 液压支架底座仿真计算结果

由于液压支架底座受到两端的集中载荷，通过米塞斯应力分布云图可得出底座结构的应力值范围。由图3可知，底座的应力最大值为93.46 MPa，在底座材料的安全强度范围。在底座的耳板、柱窝、垫块的部位应力较为集中。可以得出连接底座，两块肋板之间的过桥构件，虽然过桥部件中段应力值较小，但是与肋板连接处有应力集中现象，容易发生开裂[6]。此处可适当设计为圆角结构，减小应力集中现象。从仿真计算结果分析，在满足底座材料强度安全的情况下，可减轻底座整体质量，实现轻量化设计。

图3 优化前液压支架底座应力（Pa）云图

4 液压支架底座优化设计及计算结果对比

4.1 优化设计变量

利用ANSYS Workbench仿真软件中的优化模块，将底座的柱窝高度、耳板厚度、垫块宽度等三个参数设置为优化变量。以材料屈服强度为设计限值，设置柱窝高度变化范围为315~385 mm、耳板厚度变化范围为54~66 mm、垫块宽度变化范围为144~176 mm。现有液压支架底座质量为16.09 t，通过优化设计变量，实现支架底座重量的下降。

4.2 优化参数的确定

Workbench仿真软件的优化模块中，采用插值的计算方式，将柱窝高度、耳板厚度、垫块宽度三个参数进行正交计算优选，并且以结构材料强度和重量为目标，开展三个参数的灵敏性分析得出，底座的柱窝高度对整体质量起决定性作用，而另外两个变量-垫块宽度与耳板厚度对底座的质量影响效果不明显，即底座质量对柱窝高度变化最为敏感。同时将结构减重设计列为优先级，优化后的最大等效应力数值的1.5倍不得大于Q550材料的屈服强度，保证底座结构的安全，整体质量保持在12 943 kg，并且发生了35.89 mm的位移。经过计算，柱窝高度优化为324.44 mm、耳板厚度优化为54.066 mm、垫块宽度优化为145.04 mm。按照初始条件，重新建立起底座的仿真网格模型，对优化前后的结构进行对比分析。

4.3 优化前后对比分析

图4为优化后底座等效应力云图，由优化结果可知：

图4 优化后底座应力（Pa）云图

1）最大等效应力有了明显的提高，但依旧出现在与垫块接触位置，因为这个位置是固接引起的应力集中区域，可以直接忽略；

2）优化后虽然应力有所增大，不过尚未达到本次优化所用材料Q550的屈服强度，与之前对比应力分布更为均匀，以静力学为理论依据，可以判断出本次优化是可行的；

3）底座变形虽有所提高，但仍满足其刚度需求；

4）经过优化，底座的质量减少了3 142 kg，从16 085 kg降低到12 943 kg，同时满足了强度和刚度的要求，制造成本降低了19.54%左右，对底座的设计变量进行了调整。因此，本次优化结果实现了降低成本的优化目的。

5 结语

为了提升液压支架在矿井综采工作面的结构可靠性和使用寿命，对其关键部件——底座进行了优化设计研究。通过对底座关键设计变量参数进行优化，使得整体结构的作用力分布更加均匀，减小了应力集中现象，并且在满足材料强度安全范围的情况下，实现了结构减重设计，提高了液压支架制造厂商的经济效益。