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摘要：薄煤层液压支架是煤矿开采中的重要设备之一，其底座结构是支架的核心部件，承载着支架的整体压力和煤层的支撑负荷。底座的设计直接关系到支架的稳定性、耐用性和安全性，因此优化底座的结构必不可少。通过建立有限元模型的支架基座，静力学分析，识别潜在应力集中区域，提出优化改进方案。通过建立支架底座的有限元模型，进行静力学分析，识别潜在的应力集中区域，并提出优化改进方案。最终，通过优化设计，显著提高了底座的承载能力和使用寿命，且设计方案满足工程实际要求。

关键词：有限元分析法；薄煤层；液压支架；底座优化

0.引言

随着煤炭开采，煤炭资源逐渐枯竭，薄煤层逐渐成为主要开采对象。所以市场对薄煤层液压支架的需求始终处在一个上升的通道里面。薄煤层液压支架是煤矿开采中的重要设备，其设计复杂且要求严格。作为液压托架稳固部件的托座底座，由于特殊的薄煤层开采环境，其特点必然是整体性强、稳定性好、不易变形。本文旨在基于有限元分析法对薄煤层液压支架的底座进行优化设计，以提高支架的稳定性、可靠性和使用寿命。

薄煤层液压支架的底座设计，目前遇到的挑战也不小。由于支架高度低，行人空间狭小和梁体薄等结构特点，传统二维设计方法难以解决干涉现象和动态重心变化等问题。同时，支架的整体受力分析仍依靠压架实验，费工费时。因此，采用有限元分析法对液压支架进行优化设计成为提高支架性能的关键。

1.薄煤层液压支架底座的概述

薄煤层液压支架底座是薄煤层综采设备中的关键部件，它在液压支架系统中起到至关重要的作用。薄煤层一般厚度在0.8-1.3m之间的煤层[1]，由于其开采难度大、空间狭小，对液压支架的设计提出了特殊要求，尤其是底座部分。

底座主要与煤层底板直接接触，作为液压支架的支撑结构，以保证工作过程中支架不会因受力不均而倾斜或坍塌，从而为整个支架提供稳定的支撑力。底座通过立柱与支架的顶梁部分相连，形成一个完整的支撑体系。既要承受来自顶梁的压力，又要通过立柱将压力传递到薄煤层的底板上。因此，底座在承受载荷时应保持结构稳定，避免因局部应力过大而发生变形或破环。

目前，传统液压支架底座多采用钢板焊接结构，设计上较为保守，缺乏系统的优化分析。随着煤矿开采环境的变化，传统设计逐渐暴漏出一些问题，如应力集中、变形破损等。因此，需要对底座结构进行优化设计，提升性能。

2.研究方法

传统的液压支架底座设计采用经验公式进行强度理论计算，此方法计算繁琐，且对于部分零件计算不准确，可能会在煤矿开采中出现安全问题，需要返工维修，费工费时。因此，本文就薄煤层液压支架的底座优化设计问题，采用有限元分析法进行研究。

有限元分析法（FEA）是一种广泛应用于工程设计中的数值计算方法，该方法将复杂的连续体划分为有限个小单元，并通过建立数学模型来求解每个单元的响应，最终得到整个结构的应力和应变分布。能对复杂结构进行高精度的应力、应变、变形分析，为结构的优化设计提供了重要的基础。通过有限元分析，我们能够识别底座结构中可能存在的弱点，提出科学的优化方案，从而提高液压支架底座的整体性能。

3.液压支架底座的有限元分析

本文选取某项目的薄煤层液压支架的底座进行有限元分析研究。底座的几何形状为矩形截面，采用钢材制造。底座的主要受力部件包括主筋、贴板、弯板、盖板和柱窝等部分。根部液压支架的工作环境，底座受力主要来源于静态荷载和偶尔的冲击荷载。

首先，对液压支架底座模型进行细节处理，并通过三维建模软件创建底座进行三维建模。

其次，将三维模型导入到有限元分析软件中，基于GB 25974.1试验工况进行边界条件设置。

再次，进网格划分，为了提高底座的计算精度，对底座的关键区域进行网格加密处理。在前处理中进行相关参数的设置，添加相应的约束条件.

最后，进行计算求解，生成应力分布云图。

通过有限元分析得到底座的应力分布云图，如图1所示。结果表明，底座的内、外贴板附近存在较大的应力集中，尤其是在两个贴板重叠部分。采用传统的经验公式进行计算得到的结果，未发现此处应力集中。应力集中主要由于两块贴板重叠量小，连接区域应力传递不均匀，超过了材料的屈服强度，可能会导致局部的塑性变形。因此需要对此结构进行优化设计。

4.液压支架的底座优化设计

根据分析结果，对支架的结构进行优化设计，如调整尺寸、改变形状、增加加强筋等，以提高其强度和稳定性[2]。由于本项目是薄煤层液压支架，对其结构和空间限制十分严苛，因此，本次优化设计仅限于极微小的细节调整。

根据有限元计算得到的结果，对底座进行优化设计。加大内外贴板的重叠量，提升整体强度；贴板末端下沉，将应力集中位置远离主筋边缘，提升主筋使用寿命，底座改进后的结构。将优化后的底座再次进行有限元分析，得到结果发现内、外贴板附近的应力集中现象显著降低，如图2所示。

结果表明，优化后的内、外贴板附近的最大应力降低了17.66%以上，且应力分布更为均匀，优化后的底座不仅提高了承载能力，还提高了主筋的使用寿命。

该项目优化有的底座结构在国能集团神东煤炭分公司的液压支架上进行使用，并通过了63000次疲劳寿命测试。

5.结论

基于常规理论计算难以将应力集中考虑进来，对细节方面的优化只能提供定型的分析。而有限元分析法可以定量的将降低应力集中程度给体现出来。本文通过极微小的细节调整，而达到了降低应力的目的。这种微小的调整，通过常规平面计算是难以体现出其效果的，这也说明了有限元分析法与常规平面计算方法相比，具有极大的优越性。

参考文献：

[1]王国法.液压支架技术[M].北京：煤炭工业出版社，1999.

[2]机械设计手册编委会.机械设计手册[K].北京：机械工业出版社，2004.