CN110795880A - 支撑式垛式支架的设计方法、存储介质及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支撑式垛式支架的设计方法、存储介质及电子设备，包括如下步骤：数据关系建立步骤；初步模型建立步骤；模型优化步骤；和模型输出步骤。以上方案，通过建立离散的立柱缸径及关联的支架阻力和支架高度之间的关系，并根据上述关系对支架进行设计，当有设计需求时，直接根据设计需求对支架类型进行初步选择，之后根据支架模型的受力结果判断是否满足设计需求所应用的实际煤矿环境，进而决定是否需要对支架模型进行调整。以上方案，从支架的基本结构“立柱”的缸径出发来对支架的设计进行标准化分类，从而实现每一种支架类型能够满足一定范围内的设计需求的需要，极大地简化了设计者的工作量，提高支架设计的效率。

Description

支撑式垛式支架的设计方法、存储介质及电子设备

技术领域

本发明涉及支架的设计方法，更具体地，涉及一种支撑式垛式支架的设计方法、存储介质及电子设备。

背景技术

煤炭作为我国主要的能源来源，在相当长的时期内，仍然在国民生产生活中占有重要地位。采煤机械业跟随着煤炭产业的发展不断更新，对综采机械化开采设备的优化设计，可提高煤炭开采效率。

支撑式垛式支架是综采机械化开采设备中重要组成部分，是综采工作面支护设备，用于维护安全的作业空间，推移工作面采运设备。如何设计成熟可靠的支撑式垛式支架是实现安全高效生产的重要保障。传统的支撑式垛式支架设计方法是设计人员根据支架所应用的具体环境，得到煤矿煤层的实际情况，根据煤矿煤层的实际情况计算出所需要的工作阻力和支架高度，之后根据工作阻力和支架高度计算支撑式垛式支架中各个部件的结构参数，并根据各个部件的结构参数设计支撑式垛式支架。由于液压支架的设计本身并没有相关标准，设计人员针对不同的煤矿煤层情况设计出来的不同支架的结构参数都不相同，对于设计人员来说每一个支架设计过程都需要从头开始，给设计人员增加了大量的重复性工作，工作劳动量大，效率极低。因此，需要一种支撑式垛式支架的设计方法，来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种支撑式垛式支架的设计方法、存储介质及电子设备，以降低设计工作劳动量，提高支撑式垛式支架设计过程的效率。

基于上述目的，本发明提供的一种支撑式垛式支架的设计方法，包括如下步骤：

数据关系建立步骤：根据立柱缸径与支架高度之间的关系得到第一对应关系，根据所述立柱缸径与支架工作阻力之间的关系得到第二对应关系；其中所述立柱缸径为离散值，且相邻两立柱高度之间的差值在设定范围内；根据所述立柱缸径、所述支架高度和所述支架工作阻力得到支架类型集合，根据所述第一对应关系和所述第二对应关系得到所述支架类型与所述工作阻力、所述支架高度之间的第三对应关系；

初步模型建立步骤：获取支架设计需求参数，所述需求参数包括目标阻力和/或目标支架高度，根据所述目标阻力与所述支架工作阻力的关系，所述目标支架高度与所述支架高度之间的关系初步选定支架类型；

模型优化步骤：根据所述初步支架类型以及支撑式垛式支架中不同部件之间的约束关系得到支撑式垛式支架的初步模型，并得到所述初步模型的全部设计参数；

模型输出步骤：若所述全部设计参数中的每一项参数均满足支架设计需求则完成支架设计，以所述初步模型作为最终的支撑式垛式支架设计结果输出。

可选地，上述的支撑式垛式支架的设计方法中，所述数据关系建立步骤中，通过如下方式得到所述第一对应关系：

H_i＝h₁+h₂+f(D_i)×sinα；

其中，h₁为底座柱窝球心高度；h₂为顶梁柱窝球心高度；α为立柱倾角；D_i为第i个离散的立柱缸径，H_i为与第i个离散的立柱缸径对应的支架高度，f(D_i)为第i个离散的立柱的高度；α的取值为[60°，80°]。

可选地，上述的支撑式垛式支架的设计方法中，所述数据关系建立步骤中，通过如下方式得到所述第二对应关系：

Q_i＝f(P_i)×D_i ²×π/4；

其中，D_i为第i个离散的立柱缸径，f(P_i)为第i个离散的立柱缸径的单位面积可承受的压力值，且f(P_i)在[35Mpa，45Mpa]的范围内；Q_i为与第i个离散的立柱缸径对应的支架阻力。

可选地，上述的支撑式垛式支架的设计方法中，所述数据关系建立步骤中，为所述支架阻力设定浮动区间Q_f：

则所述第二对应关系中包括所述支架阻力的最大值、所述支架阻力的最小值与所述立柱缸径的对应关系；其中，

所述支架阻力的最小值Q_min＝Q_i-Q_f；

所述支架阻力的最大值Q_max＝Q_i+Q_f。

可选地，上述的支撑式垛式支架的设计方法中，所述数据关系建立步骤中：

所述立柱缸径的离散值中，所述相邻两立柱高度之间的差值大于10mm。

可选地，上述的支撑式垛式支架的设计方法中，所述模型输出步骤中还包括如下步骤：

若所述全部设计参数中的任意一项参数不满足支架设计需求则调整支架类型作为所述初步模型返回所述模型优化步骤。

可选地，上述的支撑式垛式支架的设计方法中，所述模型输出步骤中还包括如下步骤：

所述全部设计参数中包括每一处铰接点的应力值，若所述应力值超过本铰接点应力值上限，则在本铰接点设置护板。

可选地，上述的支撑式垛式支架的设计方法中，所述模型优化步骤中：

所述全部设计参数至少包括支护强度、底板比压、支架宽度、初撑力、泵站压力、每一处铰接点的应力值、适应倾角和/或运输尺寸。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有程序信息，计算机读取所述程序信息后执行以上任一项所述的支撑式垛式支架的设计方法。

本发明还提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；至少一个存储器；

至少一个所述存储器中存储有程序信息，至少一个所述处理器读取所述程序信息后执行以上任一项所述的支撑式垛式支架的设计方法。

从上面所述可以看出，本发明提供的以上技术方案，与现有技术相比，至少具有以下优点：

本发明提供的支撑式垛式支架的设计方法、存储介质及电子设备，通过建立离散的立柱缸径及关联的支架阻力和支架高度之间的关系，并根据上述关系对支架进行设计，当有设计需求时，直接根据设计需求对支架类型进行初步选择，之后根据支架模型的受力结果判断是否满足设计需求所应用的实际煤矿环境，进而决定是否需要对支架模型进行调整。本步骤中的设计方法，并不是以实际煤矿环境的工作阻力需求出发来单独设计支架，而是从支架的基本结构“立柱”的缸径出发来对支架的设计进行标准化分类，从而实现每一种支架类型能够满足一定范围内的设计需求的需要。当设计者需要进行支架设计时，只需要根据阻力确定型号即可，极大地简化了设计者的工作量，提高支架设计的效率。

附图说明

通过下面结合附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明一个实施例所述支撑式垛式支架的设计方法的流程图。

图2为通过图1所示的支撑式垛式支架的设计方法形成的支撑式垛式支架的骨架结构图。

图3为通过图1所示的支撑式垛式支架的设计方法形成的支撑式垛式支架的模型结构的示意图。

图4为通过图1所示的支撑式垛式支架的设计方法形成的支撑式垛式支架的优化后的模型结构的示意图；

图5为通过ANSYS仿真系统对支撑式垛式支架模型进行应力仿真的仿真结果示意图；

图6为通过ANSYS仿真系统对支撑式垛式支架模型的防护梁进行应力仿真的仿真结果示意图；

图7为本发明一个实施例所述实现所述支撑式垛式支架的设计方法的电子设备的硬件连接关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供一种支撑式垛式支架的设计方法，可应用于计算机系统中，如图1所示，其包括如下步骤：

S101：数据关系建立步骤：根据立柱缸径与支架高度之间的关系得到第一对应关系，根据所述立柱缸径与支架工作阻力之间的关系得到第二对应关系；其中所述立柱缸径为离散值，且相邻两立柱高度之间的差值在设定范围内。

优选地，所述相邻两立柱高度之间的差值大于10mm；根据所述立柱缸径、所述支架高度和所述支架工作阻力得到支架类型集合，根据所述第一对应关系和所述第二对应关系得到所述支架类型与所述工作阻力、所述支架高度之间的第三对应关系。其中，立柱缸径的选取可以根据现有技术中对于立柱的加工工艺的限制来选择，例如根据钢管尺寸的标准、根据液压支架加工机床对于立柱缸径的尺寸要求等。一般情况下，立柱缸径可以按照如表1中所示的数据进行选择。

表1标准立柱缸径系列表

通过上述立柱缸径作为基准条件，来获得立柱缸径与支架高度的关系、立柱缸径与支架阻力的关系。

优选地，可以通过如下方式得到所述第一对应关系：H_i＝h₁+h₂+f(D_i)×sinα；其中，h₁为底座柱窝球心高度；h₂为顶梁柱窝球心高度；α为立柱倾角；D_i为第i个离散的立柱缸径，H_i为与第i个离散的立柱缸径对应的支架高度，f(D_i)为第i个离散的立柱的高度；α的取值为[60°，80°]。参考图2所示的支架总体骨架结构图，常规情况下，选取四连杆结构作为支撑式垛式支架的骨架，立柱201与底座202和顶梁203之间都通过窝球连接，窝球本身具有一定的体积，根据窝球的实际选型能够确定窝球的高度，从而可以确定图中h₁和h₂的数值。另外图中防护梁204与顶梁203、底座202之间的固定方式和安装位置可以采用常规设置即可。显然，根据以上方式的当α值分别为最小值和最大值时，能够分别得出支架高度的最大值和最小值。

进一步优选地，通过如下方式得到所述第二对应关系：Q_i＝f(P_i)×D_i ²×π/4；其中，D_i为第i个离散的立柱缸径，f(P_i)为第i个离散的立柱缸径的单位面积可承受的压力值，且f(P_i)在[35Mpa，45Mpa]的范围内；Q_i为与第i个离散的立柱缸径对应的支架阻力。f(P_i)为根据立柱所选用的材料、立柱的高度和立柱的加工工艺等方式进行确定，只要能够确定了立柱的结构数据就能够确定该值。另外，为所述支架阻力设定浮动区间Q_f，则所述第二对应关系中包括所述支架阻力的最大值、所述支架阻力的最小值与所述立柱缸径的对应关系；其中，所述支架阻力的最小值Q_min＝Q_i-Q_f；所述支架阻力的最大值Q_max＝Q_i+Q_f。如同支架高度能够得出最大值和最小值的情况，支架阻力也应该能够对应处最大阻力。当确定了立柱缸径D_i之后，能够得出一个理论的支架阻力值Q_i，对于每一个立柱来说，其本身能够承受的阻力值不是一个固定值，而是一个范围，对于垛式支架来说，一般存在多个立柱，每一个立柱对应的阻力为一个范围，相应地所有立柱对应的阻力也自然是一个范围，因此所述浮动区间Q_f能够确定支架对应的阻力范围中的最大值和最小值。

S102：初步模型建立步骤：获取支架设计需求参数，所述需求参数包括目标阻力和/或目标支架高度，根据所述目标阻力与所述支架工作阻力的关系，所述目标支架高度与所述支架高度之间的关系初步选定支架类型。本步骤中，所述支架设计需求参数，为根据实际矿井煤层的环境确定的，可以有设计人员输入。需求参数中包括目标阻力，而前述步骤中，每一支架类型均与一个支架阻力的最大值和最小值相对应，因此能够根据目标阻力和支架阻力的最大值与最小值确定与设计需求相对应的支架类型。

S103：模型优化步骤：根据所述初步支架类型以及支撑式垛式支架中不同部件之间的约束关系得到支撑式垛式支架的初步模型，并得到所述初步模型的全部设计参数。具体地，对于煤矿井下的支撑式垛式支架来说，其包括的部件数量、部件与部件之间的连接方式等都采用常规选择即可，因此当总体骨架已经确定、立柱缸径已经确定、支架阻力已经确定的前提下，就能够结合支架结构中的水平力系和力矩平衡原理来得到支架中其他部位的受力情况，从而能够得到支架中其他部位的部件的具体设置方式，在三维设计软件中，采用top-down模式(至顶向下设计方法)对支架建模设计得到图3所示的初步模型。

S104：模型输出步骤：若所述全部设计参数中的每一项参数均满足支架设计需求则完成支架设计，以所述初步模型作为最终的支撑式垛式支架设计结果输出。将步骤S103中得到的支架初步模型，输入至ANSYS软件系统中对初步模型中每一个结构部件以及位置点进行应力云分析，如图4和图5所示分别为支架的初步模型的整体应力云图和掩护梁部分的应力云图。利用已知的每一个点受到的应力，可以反向判断是否满足设计需求所对应的矿井煤层实际环境的要求，如果满足则可以完成设计，直接对初步模型中的零件外形和结构进行补充完善以得到如图6所示的，最终的模型予以输出。以上方案中，所述全部设计参数可以包括支护强度、底板比压、支架宽度、初撑力、泵站压力、每一处铰接点的应力值、适应倾角和/或运输尺寸中的至少一种。

另外，以上方案中，还包括如下步骤：若所述全部设计参数中的任意一项参数不满足支架设计需求则调整支架类型作为所述初步模型返回所述模型优化步骤。也即，如果根据初步模型进行应力云分析之后，或者根据初步模型得到的支架的结构不符和实际环境的条件要求，则对初步模型建立过程中所用的参数进行调整以使模型的设计结果与实际情况相符合。

下面结合一个实际的支架设计过程示例进行说明。

S201，以神东地区大采高回撤支架使用的缸径为420mm的立柱为例，得到立柱缸径与支架高度的最大值和最小值之间的对应关系如表2所示，其中最小值以α为60°计算得到，最大值以α为85°计算得到，立柱高度和窝球高度均采用实际测量值。

表2 420mm立柱缸径与支架高度范围的对应关系

S202，对于本示例中立柱缸径420mm时，根据其实际结构能够确定其对应的支架最小阻力Q_min＝19500kN，支架最大阻力Q_max＝25000kN。

S203，假设实际矿井煤层环境下，拟使用的回撤支架要求工作阻力不小于25000kN，最大高度65dm，最小高度35dm，支护强度不小于2MPa。则参考表2，可以确定当前设计情况下，根据其最大支架高度和最小支架高度可以选择[19500，25000]/32/65这个型号值；而这个型号的支架的设计模型已经预先有模型标准，设计时只需要将相应的参数补充完整即可。

S204，确定支架其他主要参数及优化。根据支架立柱缸径和型号的参数，结合支架运输尺寸，设计支架总体骨架并计算总体各项参数，最终经过优化调整得出支架总体参数如表3所示：

表3[19500，25000]/32/65类型支架的整体设计参数

S205，对上述支架总体参数进行对比，发现按工作阻力来看，支架运输尺寸，支护强度等均符合使用矿井条件，因此可以继续进行下一步设计。

S206，根据所得的支架骨架参数，通过CAD或Solidworks/Proe/UG等三维软件采用top-down模式对支架建模设计，得到支架的模型。

S207，结合模型对支架各部件导入ANSYS等数值分析软件进行强度校核，其结果如图4、图5，其结果显示在斜梁与顶梁铰接孔处应力较大，需要在此处增加加强板。同时结合使用性能对零件外形和结构进行优化，在支架一次增加了伸缩侧板增加侧向挡矸石功能，最终完善的支架模型如图6所示。

本实施例以上方案的优势是通过建立立柱缸径及关联的工作阻力的数据库的方法，进行标准化系列化设计，将立柱缸径与支架高度和工作阻力结合起来。基于立柱缸径建立支架型号数据库既可以帮助设计人员快速选取合适型号，又可以简化设计时对支架使用范围的论证，从而达到通用和简化的目的，为支架的标准化设计奠定基础。对于设计人员来说，不需要针对每一种煤矿的实际情况均设计出一种不同类型的支架模型，因为同一支架模型的可适用范围更广泛，因此对于设计人员来说，其对于矿井实际环境的测量的精准度要求也降低了，提高了支架设计的整体效率。

实施例2

本实施例提供一种存储介质，所述存储介质中存储有程序信息，计算机读取所述程序信息后执行实施例1任一项方案所述的支撑式垛式支架的设计方法。

实施例3

本实施例提供一种电子设备，如图4所示，包括至少一个处理器701和至少一个存储器702，至少一个所述存储器702中存储有指令信息，至少一个所述处理器701读取所述程序指令后可执行实施例执行以上任一方案所述的支撑式垛式支架的设计方法。上述装置还可以包括：输入装置703和输出装置704。处理器701、存储器702、输入装置703和输出装置704可以通过总线或者其他方式连接。

上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种支撑式垛式支架的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

数据关系建立步骤：根据立柱缸径与支架高度之间的关系得到第一对应关系，根据所述立柱缸径与支架工作阻力之间的关系得到第二对应关系；其中所述立柱缸径为离散值，且相邻两立柱高度之间的差值在设定范围内；根据所述立柱缸径、所述支架高度和所述支架工作阻力得到支架类型集合，根据所述第一对应关系和所述第二对应关系得到所述支架类型与所述工作阻力、所述支架高度之间的第三对应关系；

初步模型建立步骤：获取支架设计需求参数，所述需求参数包括目标阻力和/或目标支架高度，根据所述目标阻力与所述支架工作阻力的关系，所述目标支架高度与所述支架高度之间的关系初步选定支架类型；

模型优化步骤：根据所述初步支架类型以及支撑式垛式支架中不同部件之间的约束关系得到支撑式垛式支架的初步模型，并得到所述初步模型的全部设计参数；

模型输出步骤：若所述全部设计参数中的每一项参数均满足支架设计需求则完成支架设计，以所述初步模型作为最终的支撑式垛式支架设计结果输出。

2.根据权利要求1所述的支撑式垛式支架的设计方法，其特征在于，所述数据关系建立步骤中，通过如下方式得到所述第一对应关系：

H_i＝h₁+h₂+f(D_i)×sinα；

其中，h₁为底座柱窝球心高度；h₂为顶梁柱窝球心高度；α为立柱倾角；D_i为第i个离散的立柱缸径，H_i为与第i个离散的立柱缸径对应的支架高度，f(D_i)为第i个离散的立柱的高度；α的取值为[60°，80°]。

3.根据权利要求1所述的支撑式垛式支架的设计方法，其特征在于，所述数据关系建立步骤中，通过如下方式得到所述第二对应关系：

Q_i＝f(P_i)×D_i ²×π/4；

其中，D_i为第i个离散的立柱缸径，f(P_i)为第i个离散的立柱缸径的单位面积可承受的压力值，且f(P_i)在[35Mpa，45Mpa]的范围内；Q_i为与第i个离散的立柱缸径对应的支架阻力。

4.根据权利要求3所述的支撑式垛式支架的设计方法，其特征在于，所述数据关系建立步骤中，为所述支架阻力设定浮动区间Q_f：

则所述第二对应关系中包括所述支架阻力的最大值、所述支架阻力的最小值与所述立柱缸径的对应关系；其中，

所述支架阻力的最小值Q_min＝Q_i-Q_f；

所述支架阻力的最大值Q_max＝Q_i+Q_f。

5.根据权利要求1-4任一项所述的支撑式垛式支架的设计方法，其特征在于，所述数据关系建立步骤中：

所述立柱缸径的离散值中，所述相邻两立柱高度之间的差值大于10mm。

6.根据权利要求1-4任一项所述的支撑式垛式支架的设计方法，其特征在于，所述模型输出步骤中还包括如下步骤：

若所述全部设计参数中的任意一项参数不满足支架设计需求则调整支架类型作为所述初步模型返回所述模型优化步骤。

7.根据权利要求1-4任一项所述的支撑式垛式支架的设计方法，其特征在于，所述模型输出步骤中还包括如下步骤：

所述全部设计参数中包括每一处铰接点的应力值，若所述应力值超过本铰接点应力值上限，则在本铰接点设置护板。

8.根据权利要求7所述的支撑式垛式支架的设计方法，其特征在于，所述模型优化步骤中：

所述全部设计参数至少包括支护强度、底板比压、支架宽度、初撑力、泵站压力、每一处铰接点的应力值、适应倾角和/或运输尺寸。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有程序信息，计算机读取所述程序信息后执行权利要求1-8任一项所述的支撑式垛式支架的设计方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器；

至少一个所述存储器中存储有程序信息，至少一个所述处理器读取所述程序信息后执行权利要求1-8任一项所述的支撑式垛式支架的设计方法。

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