液压支架的选用设计原则探析

液压支架的选用设计原则探析
作者：金灿东李静孙栎杰云宏芝
来源：《中国科技博览》2015年第29期
[摘要]根据特定矿区地质条件选用满足工作面要求的液压支架。

从液压支架设计原则、标准和方法分析研究，阐述该液压支架结构组成及特点，再结合CAE软件提高液压支架的设计质量。

[关键词]液压支架；CAE；设计
中图分类号：TD35 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）29-0101-01
山西矿区某综采工作面，煤层厚度在2.7～3.5m之间，该煤层厚度主要在1.9～3.5m之间，尤其是2.3～3.5m的煤层占70%以上。

该煤层含0～3层夹矸。

夹矸岩性一般为黑色泥岩、富炭质泥岩，局部为灰黑色富镜煤微细条带的粉砂岩。

顶板多为粉砂岩或泥岩，局部以中细粒砂岩为直接顶板时，煤层厚度变薄，为局部冲刷。

底板一般为灰色细砂岩或粉砂岩，具微波状层理，局部为黑色泥岩。

该综采工作面工业储量152.99万吨，工作面长度为230m。

采用综采的4个最重要的条件：地质条件的适应性、液压支架选型的正确性、采煤工艺的合理性和工作面管理的严密性。

根据对地质条件的描述和对采煤方法的选择，决定选用
ZY7200/19/40型掩护式液压支架中部液压支架。

该液压支架完全能够满足工作面的要求。

该支架为两柱掩护式，是采用计算机优化设计最新技术成果。

一、液压支架设计原则、标准和方法
1、执行标准
根据煤矿安全生产法，执行《液压支架设计规范》MT/T556-1996标准、《液压支架通用技术条件》MT 312-2000标准。

2、总体设计原则
（1）支架应满足设备总体配套要求，结构安全可靠；
（2）技术创新和高可靠性优化设计相结合，尽量采用成熟技术成果，选用成功架型及配套模式，以满足支架可靠性要求为前提，兼顾技术先进性及经济性。

3、基本设计方法
（1）应用“液压支架参数优化设计软件系统”进行支架结构参数优化设计；（2）应用“液压支架参数化、可视化、动态受力分析动态仿真软件系统”
对支架进行全程动态受力分析；
（3）主要结构件、连接件计算机综合强度校核及可靠性优化设计；
（4）支架在较大高度以及具有煤层倾角的情况下容易倾倒，因此支架具有完备的防倒装置；
（5）移架机构在收回位置时，底座前端单边侧向与推移机构的间隙应≥30mm。

同时严格控制四连杆机构销孔的间隙，间隙应≤1.6mm，连接耳轴向最大配合间隙应≤10mm；
（6）液压支架设计最大使用角度时，支架的一侧活动侧护板推出和收回后，需要保证支架最小和最大总体宽度满足工作面最大伪斜角对宽度的要求；
（7）支架的侧护板为双侧活动侧护板。

相邻支架高度差在200mm时，需要保证顶梁侧护板在高度方向上有≥200mm的重合量。

侧护板需要满足相邻支架前、后错动一个步距时，移架方向有200mm的重合量。

二、液压支架结构组成及特点
1、支架结构组成
支架主要由金属结构件、液压元件、液压系统及防护装置组成。

金属结构件有顶梁、伸缩梁、掩护梁、前后连杆、底座及推移杆等；液压元件主要有立柱、各种千斤顶、液压控制元件（操纵阀、单向阀、安全阀等）、液压辅助元件（胶管、弯头、三通等）等；防护装置主要有侧护板、两级护帮板等。

2、支架的特点
该支架结构合理，功能设置全面，立柱及各种千斤顶配置适宜，具有以下特点：①防止端面顶板的早期离层和破坏，减少了对直接顶板的破坏；②适应了煤层厚度的变化大的特点；③提高了支架对难控顶板的适应性；④由于底座和顶梁较短，具有较好稳定性，便于运输、安装和拆卸；⑤相比较支撑掩护式液压支架，该支架具有重量轻，投资少的特点，节约了成本；⑥顶板向煤壁的方向，支架能经常施加推力，有利于维护顶板的完整性；⑦采用大流量控制系统，移架速度快；⑧支架采用分体底座，有利于底座中档排浮煤，进而保证了支架顺利移出；
⑧支架的顶梁带有伸缩梁和护帮板，对顶板和煤帮起到了及时的支护的作用，有效抑制了架前片帮；⑨由于采用了倒置推移缸布置和长推杆机构，拉架力大的同时确保了推杆的可靠性；？本液压支架配备了抬底结构，适用于软底板的采煤工作面；？该液压支架适用于破碎顶板及部分中等稳定顶板，对煤层变化较大的工作面适应性较强。

三、Pro/E建模
将Pro/E和ANSYS软件结合，可以提高液压支架设计质量，大幅度缩短设计周期。

利用Pro/E软件的模型分析功能，对液压支架进行静态和动态的全局干涉检查，以及体积、质量、重心等参数的计算，为后续的优化提供数据支持，然后可以利用Pro/E的Mechanism模块对支架模型进行运动仿真分析。

四、有限元分析
由于ANSYS能够与Pro/E软件数据共享，可以将Pro/E软件用iges格式文件导入到ANSYS，可准确地在该模型上划分网格并进行求解。

执行《液压支架设计规范》MT/556-1996标准、《液压支架通用技术条件》MT312-2000标准。

分别对支架主要部件和整体进行各种不同受载情况下的受力分析，以达到优化的目的。

以整架承受均布载荷为例，对液压支架进行有限元分析。

具体步骤：①单元类型选择Solid45；八节点六面体。

solid45用于构造三维固体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度；②材料属性定义材料弹性模量E=2.2e8MPa，泊松比为0.3；③静力学网格划分；④设置边界条件设置底板位移约束Ux、Uy、Uz均为0；⑤施加均布载荷、求解顶梁扭转和底座两端集中加载；⑥ANSYS没有具体规定单位，只要单位统一即可。

根据《液压支架通用技术条件》的要求布置垫板位置，试验压力为1.2倍的额定工作压力，垫板厚度为40mm，在垫板上表面和底座垫板下表面分别用fixsupport命令设置位移为零。

使用pressure命令在上下柱窝上施加载荷，大小分别为90MPa和50MPa，可根据工作阻力和立柱上下柱窝的面积计算出载荷。

根据标准采用内加载的方式加载，将载荷加到4个柱窝上。

求解得出结论：顶梁部分承受最大应力。

具体位置在顶梁内主筋上，靠近柱窝后面，最大值为322.85MPa。

顶梁采用高强度板Q550，其屈服极限为550MPa，最大应力在屈服极限内。

五、结语
通过ANSYS Workbench进行静力分析可以判断液压支架结构的强度是否符合设计要求，对于薄弱环节需要考虑改进结构设计或者采用更高强度的材料。

参考文献
[1]王国法.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，2011.
[2]何明.基于Pro/E与ANSYS的液压支架运动仿真与有限元设计[J].煤矿机械，2012，30（2）：75-77.
[3]胡敏.ZF7200/18/35型液压支架有限元分析[J].煤矿机械，2013，30（5）：87-89.。