CN104063535B - 一种固体充填采煤液压支架设计流程及优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固体充填采煤液压支架设计流程及优化方法，属于煤矿用固体充填采煤液压支架的设计及优化。该液压支架设计流程及优化方法按照下述步骤进行：A、确定液压支架设计及优化的要求与依据；B、确定液压支架基本类型；C、确定液压支架的技术参数；D、确定液压支架构件的形式；E、构建液压支架基本模型，初步设计及优化液压支架各构件的尺寸；F、利用Pro/Engineer或SolidWorks三维机械设计软件设计支架零件，并进行整机装配，构建出支架的三维实体模型；G、结合具体的优化目标和相关标准，对支架进行动态优化和强度校核，得到支架最终设计结果。本发明为广大科研人员提供了一种科学合理的固体充填采煤液压支架设计流程和优化方法。

Description

一种固体充填采煤液压支架设计流程及优化方法
技术领域
本发明涉及一种煤矿用液压支架的设计及优化，尤其涉及一种固体充填采煤液压支架的设计流程及优化方法。
背景技术
2013年我国煤炭产量完成37亿吨，预计2014年产量将突破38亿吨。我国大中型矿井的已普遍采用综合机械化采煤技术。煤炭行业的快速发展为我国煤机装备制造业提供了难得的机遇和市场空间。液压支架在现代综合机械化采煤中占有重要地位。矿井机械化程度提高和开采技术的进步对液压支架提出了新的技术性能要求。
传统的液压支架设计与研制是基于物理样机的设计开发模式进行的，不仅存在严重的缺陷，而且严重制约着产品质量的提高。因此，快速高质量的设计出满足矿井实际要求和与新型开采技术相匹配的液压支架显得十分重要。随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，基于计算机辅助设计技术与有限元分析相结合的液压支架设计开发模式显示出来强大的优越性，大大降低了液压支架的开发周期和设计成本。基于这种设计开发模式，本发明一种液压支架设计流程及优化方法，为广大科研人员和中低端用户提供了一种切合实际又简单清晰的固体充填采煤液压支架设计流程和优化方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种固体充填采煤液压支架设计流程及优化方法，解决传统的液压支架设计与研制是基于物理样机的设计开发模式进行的，不仅存在严重的缺陷，而且严重制约着产品质量的提高的问题。
为达到上述目的，本发明的液压支架设计流程及优化方法，包括如下步骤：
A、确定液压支架设计及优化的要求与依据；
B、确定液压支架基本类型；
C、确定液压支架的技术参数；
D、确定液压支架构件的形式；
E、构建液压支架基本模型，初步设计及优化液压支架各构件的尺寸；
F、利用Pro/Engineer或SolidWorks三维机械设计软件设计支架零件，并进行整机装配，构建出支架的三维实体模型；
G、结合支架优化目标和相关标准，对支架进行动态优化和强度校核，得到支架最终设计结果；
所述步骤A所指的要求和依据是：满足相关标准和规范要求、适应煤层赋存条件、满足采煤工艺要求、结构合理，受力状态良好，具有稳定性和较好的移架能力，能够提供有效的支护强度；
所述步骤B确定液压支架基本类型，液压支架的基本类型包括：六柱正四连杆固体充填采煤液压支架、六柱反四连杆固体充填采煤液压支架和四柱正四连杆固体充填采煤液压支架；液压支架基本类型具体根据煤层赋存条件、顶底板情况和采煤工艺确定；
所述步骤C确定液压支架的技术参数包括：支护强度、工作阻力、初撑力、最大/最小支护高度、支架中心距与宽度的确定和其它参数的确定；所述的其它参数包括：顶梁长度、夯实力和夯实离顶距；
所述步骤D确定液压支架构件的形式包括顶梁、四连杆机构、立柱、底座和夯实机构；
所述步骤E构建液压支架基本模型，按以下步骤进行：
a)对各构件进行简化，构建液压支架的基本模型；
b)对支架基本模型的四机配套尺寸、运动轨迹等进行分析和计算，完成各构件主要尺寸的初步设计；
所述的步骤F利用Pro/Engineer或SolidWorks等三维机械设计软件设计零件，并进行整机装配，构建出支架的三维实体模型；利用Pro/Engineer设计的顶梁、底座与夯实机构的三维模型装配图；
所述的步骤G，按以下步骤进行：
a)通过Pro/Engineer或SolidWorks中的仿真模块，导出支架的运动特性曲线、夯实离顶距曲线、四连杆双纽线和顶梁加载曲线；
b)以最优运动特性、最优夯实离顶距、双扭线偏摆量为优化目标，对支架的结构尺寸进行动态优化；
c)将优化后的支架模型导入ANSYS或Nastran等有限元分析软件，应用结构非线性分析模块，对敏感零部件的强度进行校核；
d)若校核结果满足《MT 312-2000液压支架通用技术条件》及《煤矿用固体充填液压支架技术条件》的要求，则从Pro/Engineer或SolidWorks软件中导出三维模型及设计图纸，得出优化后的设计结果；若不满足要求，则重复步骤(a)～(c)，直到达到设计要求。
所述的液压支架基本类型包括：六柱正四连杆固体充填采煤液压支架、六柱反四连杆固体充填采煤液压支架、四柱正四连杆固体充填采煤液压支架；液压支架基本类型具体根据煤层赋存条件、顶底板情况、采煤工艺确定。
有益效果，由于采用了上述方案，基于支架设计的基本要求与原则，综合采用Pro/Engineer、SolidWorks高端三维机械设计软件及ANSYS，Nastran高端有限元分析软件，设计人员直接在人机交互系统中实现充填采煤液压支架实体模型的构建与运动、力学特性仿真以及强度校核，设计流程相互贯通，大大降低了固体充填液压支架的研发周期、提高了优化效率及降低了升级改造成本，为广大科研设计人员提供了一套科学合理的固体充填采煤液压支架设计流程和优化方法。
附图说明
图1为本发明设计流程及优化方法设计流程示意图。
图2为本发明实施例的液压支架基本模型示意图。
图3本发明实施例的液压支架各构件主要尺寸的初步设计图。
图4为本发明实施例的三维设计软件Pro/E绘制的顶梁装配图。
图5为本发明实施例的三维设计软件Pro/E绘制的底座装配图。
图6为本发明实施例的三维设计软件Pro/E绘制的夯实机构装配图。
图7为本发明实施例的三维设计软件Pro/E绘制的液压支架整机装配图。
图8为本发明实施例的三维设计软件Pro/E导出的支架的运动特性曲线。
图9为本发明实施例的三维设计软件Pro/E导出的夯实离顶距曲线。
图10为本发明实施例的三维设计软件Pro/E导出的四连杆双纽线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明的液压支架设计流程及优化方法，具体按照下述步骤进行：A、确定液压支架设计及优化的要求与依据；B、确定液压支架基本类型；C、确定液压支架的技术参数；D、确定液压支架构件的形式；E、构建液压支架基本模型，初步设计及优化液压支架各构件的尺寸；F、利用Pro/Engineer或SolidWorks三维机械设计软件设计支架零件，并进行整机装配，构建出支架的三维实体模型；G、结合支架优化目标和相关标准，对支架进行动态优化和强度校核，得到支架最终设计结果；具体步骤如下：
1.步骤A确定液压支架设计及优化的要求与依据是：满足相关标准和规范要求、适应煤层赋存条件、满足采煤工艺要求、结构合理，受力状态良好，具有稳定性和较好的移架能力，能够提供有效的支护强度；具体如下：
1.1相关标准：
支架设计、制造、检验和型式试验执行《MT 312-2000液压支架通用技术条件》、《煤矿用固体充填液压支架技术条件》、《MT/T 556-1996液压支架设计规范》、《MT/T169-1996液压支架型式与参数》、《MT 97-1992液压支架千斤顶技术条件》、《MT313-1992液压支架立柱技术条件》和《MTT 587-2011液压支架结构件制造技术条件(非正式版)》。
1.2工作面概况
某固体充填采煤工作面长95m，工作面近水平，推进方向倾角5～8°，平均6°。煤层厚度2.10～3.61m，平均2.80m，煤层埋深最大180m，最小80m，煤层结构简单，全区稳定可采，一般不含夹矸，最多含2层夹矸，夹矸岩性为泥岩、炭质泥岩，该煤层直接顶板为石灰岩，伪顶为铝土泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩、中粉砂岩。煤层及顶底板情况如表1所示。该工作面采用长壁后退式综合机械化固体充填采煤方法。
表1 煤层及顶底板情况
2.步骤B确定液压支架基本类型
根据上述工作面概况，确定支架基本类型为四柱正四连杆固体充填采煤液压支架。
3.步骤C确定液压支架的技术参数：
3.1支护强度
依照经验，通常工作面支架必须能够有效支撑6至8倍采高的岩石容重，则支护强度P1为可按式(1)计算。
P1＝(6～8)γH (1)
式中：
γ——岩石的容重，25kN/m3；
H工作面平均采高，2.8m。
代入相关数据，可得支护强度P1平均为0.42～0.56MPa。
3.2工作阻力
根据支护强度计算工作阻力可按式(2)计算。
Q＝P1BcScη/Ks (2)
Q——支架额定工作阻力，kN/架；
P1——支架额定支护强度，560kPa；
Bc——控顶宽度，8.3m；
Sc——支架中心距，1.5m；
ηc——固体充填采煤与传统综采支护强度的比值，0.6；
Ks——液压支架支撑效率，0.9
将上述数据带入公式(2)，可得支架的工作阻力为4648kN/架。
由于固体充填采煤液压支架的长度及支护面积远大于普通综采支架，必须尽可能的增加支架的工作阻力和支护强度才能最大程度的限制顶板的提前下沉量，因此初步设计四柱正四连杆固体充填采煤液压支架工作阻力为5000kN，支护强度为0.75Mpa；
3.3初撑力
初撑力由式(3)确定。
Q0＝(0.6～0.8)Q (3)
式中：
Q0—支架初撑力，kN；
Q—支架工作阻力，5000kN
将上述相关数据代入式(3)，得四柱式液压支架的初撑力不小于3000～4000kN，初步确定四柱式充填采煤液压支架初撑力为6966kN。
3.4最大/最小支护高度
回采区域煤层厚度为2.10～3.61m，平均厚度2.8m，由于揭露煤层厚度均小于平均煤厚，因此，确定支架最大支撑高度为3.8m，最小支撑高度为1.9m。
3.5支架中心距与宽度的确定
本支架中心距确定为1.50m，支架宽度确定为1.45m。
3.6其它参数的确定
前顶梁长度3.6m，后顶梁长度3.8m、夯实力2MPa、夯实离顶距190m(采高2800mm)。
液压支架的主要技术参数如表2所示。
表2 液压支架的主要技术参数
项目 参数 项目 参数
支护强度 0.75MPa 宽度 1.45m
工作阻力 5000kN 前顶梁长度 3605mm
初撑力 6966kN 后顶梁长度 3795mm
最大支护高度 3.8m 夯实力 2Mpa
最小支护高度 1.9m 夯实离顶距 190mm
中心距 1.5m 支架尺寸 8020×1420×1900mm
4.步骤D确定液压支架构件的形式
顶梁采用铰接顶梁，前后顶梁均设置双侧活动侧护板，前顶梁前端带伸缩梁及护帮板，伸缩梁可以伸出一个步距；四连杆机构形式为Y型正四连杆，其上部与前后顶梁同轴铰接；立柱采用双排四柱大缸径双伸缩立柱；底座采用全开裆结构，底座前端设置抬底千斤顶；夯实机构由单级伸缩结构与夯实板组成，压实机构可拆卸。
5.步骤E构建液压支架基本模型，初步设计及优化液压支架各构件的尺寸
对各构件进行简化，构建液压支架的基本模型如图2所示。
对基本模型分析计算之后，得到各构件尺寸的初步设计，如图3所示。
6.步骤F利用Pro/Engineer或SolidWorks等三维机械设计软件设计零件，并进行整机装配，构建出支架的三维实体模型
利用Pro/Engineer设计的顶梁、底座与夯实机构的三维模型装配图分别见图4、图5和图6，液压支架整机装配图见图7。
7.步骤G结合支架优化目标和相关标准，对支架进行动态优化和强度校核，得到支架最终设计结果。
通过Pro/Engineer或S0lidWorks中的仿真模块导出的支架运动特性曲线、夯实离顶距曲线、四连杆双纽线和顶梁加载曲线分别见图8、图9、图10。
经过动态优化和强度校核，最终得到的固体充填采煤液压支架技术参数如表3所示。
表3 固体充填采煤液压支架最终设计参数
名称 参数 名称 参数
型式 四柱支撑式 推移步距 600mm
型号 ZC5000/19/38 平均支护强度 0.71MPa
支架尺寸 8020×1420×1900mm 底板比压 1.98MPa(平均)
高度 1900～3800mm 中心距 1500mm
宽度 1420～1590mm 充填作业适用高度 2500～3600mm
前立柱初撑力 3876kN(P＝31.5MPa) 泵站压力 31.5MPa
后立柱初撑力 3090kN(P＝31.5MPa) 操作方式 本架操作
前立柱工作阻力 5010kN(P＝40.7MPa) 重量 小于32t
后立柱工作阻力 3994kN(P＝40.7MPa)

Claims (1)

1.一种固体充填采煤液压支架设计流程及优化方法，其特征是包括如下步骤：
A、确定液压支架设计及优化的要求与依据；
B、确定液压支架基本类型；
C、确定液压支架的技术参数；
D、确定液压支架构件的形式；
E、构建液压支架基本模型，初步设计及优化液压支架各构件的尺寸；
F、利用Pro/Engineer或SolidWorks三维机械设计软件设计支架零件，并进行整机装配，构建出支架的三维实体模型；
G、结合支架优化目标和相关标准，对支架进行动态优化和强度校核，得到支架最终设计结果；
所述步骤A所指的要求和依据是：满足相关标准和规范要求、适应煤层赋存条件、满足采煤工艺要求、结构合理，受力状态良好，具有一定的稳定性和较好的移架能力，能够提供有效的支护强度；
所述步骤B确定液压支架基本类型，液压支架的基本类型包括：六柱正四连杆固体充填采煤液压支架、六柱反四连杆固体充填采煤液压支架和四柱正四连杆固体充填采煤液压支架；液压支架基本类型具体根据煤层赋存条件、顶底板情况和采煤工艺确定；
所述步骤C确定液压支架的技术参数包括：支护强度、工作阻力、初撑力、最大/最小支护高度、支架中心距与宽度的确定和其它参数的确定；所述的其它参数包括：顶梁长度、夯实力和夯实离顶距；
所述步骤D确定液压支架构件的形式包括顶梁、四连杆机构、立柱、底座和夯实机构；
所述步骤E构建液压支架基本模型，按以下步骤进行：
a) 对各构件进行简化，构建液压支架的基本模型；
b) 对支架基本模型的四机配套尺寸、运动轨迹进行分析和计算，完成各构件主要尺寸的初步设计；
所述的步骤F利用Pro/Engineer或SolidWorks三维机械设计软件设计零件，并进行整机装配，构建出支架的三维实体模型；利用Pro/Engineer设计的顶梁、底座与夯实机构的三维模型装配图；
所述步骤G，按以下步骤进行：
（a） 通过Pro/Engineer或SolidWorks中的仿真模块，导出支架的运动特性曲线、夯实离顶距曲线、四连杆双纽线和顶梁加载曲线；
（b） 以最优运动特性、最优夯实离顶距、双扭线偏摆量为优化目标，对支架的结构尺寸进行动态优化；
（c） 将优化后的支架模型导入ANSYS或Nastran有限元分析软件，应用结构非线性分析模块，对敏感零部件的强度进行校核；
（d） 若校核结果满足《MT 312-2000 液压支架通用技术条件》及《煤矿用固体充填液压支架技术条件》的要求，则从Pro/Engineer或SolidWorks软件中导出三维模型及设计图纸，得出优化后的设计结果；若不满足要求，则重复步骤（a）~（c），直到达到设计要求。
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