一种固体充填采煤液压支架设计流程及优化方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[〇〇〇1] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] A、确定液压支架设计及优化的要求与依据；
[0007] B、确定液压支架基本类型；
[0008] C、确定液压支架的技术参数；
[0009] D、确定液压支架构件的形式；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 所述步骤E构建液压支架基本模型，按以下步骤进行：
[0018] a)对各构件进行简化，构建液压支架的基本模型；
[0019] 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；
[0020] 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；
[0021] 所述的步骤G，按以下步骤进行：
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 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；
[0025] d)若校核结果满足《MT312-2000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，贝1J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。
[0026] 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。
[0027] 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。 【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明设计流程及优化方法设计流程示意图。
[0029] 图2为本发明实施例的液压支架基本模型示意图。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[〇〇34] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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】
[0038] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
[0039] 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：
[0040] 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：
[0041] 1.1相关标准：
[0042] 支架设计、制造、检验和型式试验执行《MT312-2000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/T556-1996液压支架设计规范》、《MT/T169-1996液 压支架型式与参数》、《MT97-1992液压支架千斤顶技术条件》、《MT313-1992液压支架立柱技 术条件》和《MTT587-2011液压支架结构件制造技术条件（非正式版）》。
[0043] 1. 2工作面概况
[0044] 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。
[0045] 表1煤层及顶底板情况
[0046]
【权利要求】
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《MT312-2000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，贝1J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。
【文档编号】G06F17/50GK104063535SQ201410172793
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】缪协兴, 张吉雄, 张强, 郭帅 申请人:中国矿业大学