基于现代设计方法的薄煤层的液压支架优化设计

2022-11-03

随着我国经济的高速发展, 对能源的需求与日俱增, 而煤炭又是我国的主要能源。据国际能源署预测, 2020年我国煤炭需求量将超过25亿吨。在我国煤矿中, 较薄煤层的储量占总储量的17.5%, 储量约620亿t, 有84%的矿区有薄煤层[1]。因此, 薄煤层的开采是各矿山企业发展的良好机遇和面临的历史性的挑战, 也是保证煤炭工业的可持续性发展, 对我国建设“资源节约型, 环境友好型”的社会具有重要意义。液压支架是现代化煤矿最为关键的设备之一, 液压支架优化设计, 这不但对改善目前的煤炭企业经济运行状况、降低生产成本、改善工人的劳动条件起到重大的推进作用, 而且对增加我国综采设备的出口创造了条件。

1 薄煤层支架的现状

液压支架是现代化煤矿进行高效综采和安全生产最为关键的设备之一。无论是采用刮板输送机、滚筒采煤机和液压支架的综采技术, 还是运行轨道、强力刨煤机和液压支架的综采技术, 液压支架都是作为煤矿井下支护关键设备。

1.1 薄煤层支架特点

作业空间所限, 构件薄型化且要求支架结构紧凑, 一般不用活动侧护板, 以利于通风和人行。多用双伸缩立柱, 液压系统为邻架控制。架型多为双柱掩护式, 也有支撑掩护式, 还有极少数支撑式支架, 但支撑式支架已过时, 少数顶底板稳定、倾角小的采区, 亦可慎用。支架要求重量尽可能轻, 便于井下运输和拆装。

1.2 架型

(1) 支撑式, 四柱直立, 因受侧向力, 损坏严重, 已为淘汰产品, 但仍有少数局矿在使用。例如:松藻HB—160支撑式支架, 尚用于“解放层”支护, 以后不再使用推广。

(2) 掩护式, 架型较多, 两柱斜撑顶梁, 使用效果也比较理想。例如, zY2000/0.55/17支架, 重量5.24t, 七台河局使用。

(3) 支撑掩护式, 四柱支撑能力大, 使用状况良好, 222800/07/18支架, 立柱呈“X”形, 重6.67t, 在阳泉、邢台、西山等局使用, 是使用最早、推广应用最多的支架。

2 现代设计理论和方法

目前, 现代设计理论的三大主要流派, 包括, 欧洲流派的系统设计方法、美国的流浪的设计原理和日本流派的一般设计学。就现代设计理论和方法的范畴而言, 现代设计理论和方法还在不断地发展和完善过程中。目前理论较为成熟和应用广泛的现代设计方法包括机电产品造型设计、计算机辅助设计[2]、优化设计[3]、计算机辅助工程设计CAE、摩擦学设计和可靠性设计等。

优化设计是现代设计方法的重要内容之一, 通过寻找和确定最优设计方案, 使得所优化的目标 (如:体积、重量、面积、费用等) 最小有利于运输、安装、搬家。目前, 利用计算机以及相关软件进行支架总体结构参数的优化设计, 不仅可以保证完善的性能和高可靠性, 还能提高支架总体方案在运动学、力学和结构上的科学性。优化设计方法主要有:数学规划法、载荷力流法、弹塑性力学理论的有限单元法、经济寿命法、计算机辅助设计和绘图法 (CADD) 、特定条件设计法、可靠性法以及液压支架试验的信息反馈法。液压支架的优化设计可以单一采用上述的某一种方法, 也可以根据具体情况综合运用上述设计方法。

3 薄煤层的液压支架优化设计

3.1 液压支架结构优化

薄煤层支架为保证有一定的通风和行人空间, 必然要求有较长的前梁, 这样就势必造成支架底座前端压力大于后端压力致使支架前端架脚扎底严重, 所以在底板较软的煤层中应考虑这一问题。岳永强等[2]认为顶梁偏载时, 顶梁、掩护梁、前后连杆上的应力都较大;柱窝附近和垫块附近的应力值都较高;顶梁两端加集中载荷时, 顶梁上应力较大, 其他部件上的应力值相比要小得多。

对于上下端头支架, 由于采面输送机的影响, 引起端头支架落后于中间支架0.5m左右, 致使端头支护困难, 因此应考虑设计前伸缩梁或设计前梁更长的端头支架, 并将伸缩梁千斤顶镶嵌于支架顶梁内以确保梁下高。总之, 最高应力分布存在区域性、局部性的, 在实际设计中应重点在该区域施以高强度板材。

3.2 顶梁优化设计

液压支架的顶梁是支架的重要部件主要承受顶板压力, 并起切顶作用。它可多次反复支撑顶煤, 以利于放煤。为加强结构的风度, 在上下盖板之间焊有加强筋板, 构成封闭式棋般型。顶梁前端呈滑撬式或圆弧型, 以减少移架阻力。可以根据实际加强板的位置和要求采用不同厚度的锰钢, 可以优化造价。

架型的受力分析方法可以采用解析法, 利用计算机的快速运算特性, 通过对机构运动进行解析处理, 得到其运动的数学方程, 然后设计相应的计算机运行程序, 最终只要输入相应的预定参数, 即可得到对应的输出结果。

由于支架顶梁是一个多腔室薄壁箱形结构, 由主筋板、顶板、横筋板、盖板等组合、封闭而成。在顶梁设计中, 由于所用材料的比重是确定的, 而顶梁长度一般也给定, 要使顶梁重量最小, 所以最后要以顶梁横截面面积最小为优化目标。通过确定约束条件后, 采用混合罚函数法进行优化计算, 可以得到很好的结果。

总之, 选用先进的焊接工艺和焊接强度高的焊条, 提高焊缝的抗拉强度;妥善处理断面变化, 在变断面处焊接加强板, 以提高其整体性能;优化焊缝结构设计, 避免应力集中;改进支架强度验算方法, 采用有限元分析、优化设计、仿真等计算机辅助工程分析提前发现结构件的薄弱环节, 提出改进措施, 保证支架使用可靠:建立严格的规章制度, 加强管理, 提高操作人员的素质。

4 结语

综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志, 国内能实现高产高效的工作面均布置在3m以上的煤层中, 对于1.5m左右的煤层, 目前尚无能创造年产250万吨高产高效的纪录, 因此, 利用现代设计方法能快速有效地分析所设计液压支架的合理性和可靠性, 为缩短机械产品的设计周期, 改善工人的劳动条件, 提高工作面的自动化程度有重要意义。如果我国企业能全面引进现代设计理论和方法, 设计出来的产品就有可能具有设计周期短、质量高、成本低、竞争力强的特点。在世界市场逐渐趋向于统一的今天, 中国的机械产品就能立于不败之地。

摘要：随着社会经济的发展和对能源的巨大需求, 较薄煤层的储量占可采储量比例较大, 加大薄煤层的开采力度有利于煤炭工业的可持续性发展。主要介绍了薄煤层支架的特点和现代设计理论和方法, 根据薄煤层的特点和要求, 对液压支架结构、顶梁进行了优化。

关键词：现代设计方法,薄煤层,液压支架