论文部分内容阅读
【摘要】对于综采设备液压支架的研究，德国DBT公司生产的液压支架通过动力学仿真和有限元的分析，对其四连杆机构进行优化完善，推出一定使用高度的支架的成熟架型。这类架型的使用高度在只适合某一范围内，有很大的局限性，而在设计中，注重液压支架的电液控制技术和高强度板材的使用。尤其我国在支架的控制上还有一定的欠缺，因此本文着力分析四连杆力学特性进行了分析优化。
【关键词】液压支架 四连杆 力学仿真 力学特性
【中图分类号】G64.28 【文献标识码】A 【文章编号】
0引言
液压支架是综采设备的主要设备之一，薄煤层液压支架在开采过程中由于煤层的特殊性，要求有更大的伸缩比，因此关键技术之一就是需要有合理的四连杆机构的设计，设计参数向高工作阻力，大中心距发展，结构件材料越来越多的采用高强度钢材，提高液压支架使用性能。
1 四连杆机构运动方程[1][2]
液压支架四连杆机构尺寸关系如图1所示，当液压支架在最大高度至最小高度范围内运动时，四连杆机构的运动应满足下列方程：
图1 液压支架四连杆机构尺寸
—前连杆长度； —后连杆长度； —前、后连杆上铰点之距离； —掩护梁长度； —前连杆上铰点到掩护梁之距离； —掩护梁上铰点 与顶梁之距离； —支架的高度； —四连杆机构的运动瞬心； —掩护梁上铰点； —掩护梁的水平倾角； —前、后连杆的垂直倾角； —瞬心 与掩护梁上铰点连线的水平倾角。
双扭线相对摆幅为：
前、后连杆轴线的交点（O）是支架四连杆的瞬时运动中心，也是掩护梁与顶梁铰点E初双纽线轨迹的曲率中心，EO连线与水平夹角越小，则双纽线的摆幅越小。
前连杆方程：
后连杆方程：
由前、后连杆方程解得四连杆机构瞬心为
四连杆机构瞬心o与e点连线与水平夹角为：
[1][2]
2四连杆机构运动学模型的建立
液压支架四连杆机构运动学分析方法常见有下列两种：一是，以支架后连杆水平倾角为自变量的常规分析法；二是，以支架工作高度为自变量的优化分析法。本文采用第一种分析方法以支架后连杆水平倾角为自变量的常规分析法[3]。
图2所示为四连杆机构简图
选取后连杆水平倾角 为自变量，并建立平面直角坐标系XOY。已知参数： 为后连杆长度； 为掩护梁长度； 为连杆 长度； 为前连杆长度； 为前连杆下铰接点D至支架底面距离； 为前后连杆下铰接点间的水平距离； 为后连杆下铰接点C至支架底面距离； 为顶梁与掩护梁铰接点P至支架顶面距离； 为P点至前连杆上铰接点B的距离； 为支架最低工作高度； 为支架最高工作高度。
图中， ， ， 分别为后连杆、掩护梁、前连杆的水平倾角； 为P点坐标。 为 与 之间的夹角； 、 分别为四连杆机构的运动瞬心 点与P点连线的水平倾角和长度； 、d分别为C，D连线的水平倾角与长度； 为瞬心 点的坐标；H为支架任意工作高度，则有
这样，只要给定后连杆水平倾角 ，四连杆机构其它参数由以上各式均可确定。这种分析方法思路明了，计算过程简单，编程方便，为目前国内外支架设计人员与研究人员所普遍采用。
3四连杆机构的动力学优化分析
优化分析是ADAMS/View提供的一种高级参数化计算，分析工具。可对连杆机构进行优化。液压支架四连杆机构样机优化设计方法有两种：第一种是同时考虑各个设计变量，进行仿真分析，得出优化结果，这种方法在设计变量较少时适用；第二种方法是先分别对每个设计变量进行优化灵敏度分析，选取灵敏度最高，即对设计影响最大的几个变量进行调整，得出优化结果。该方法在设计变量较多时适用。本文采用第二种方法计算。先设定 和 再对其余8个设计变量逐一进行优化，得到第一次优化值和灵敏度。可知 的灵敏度较高，因此再对这5个参数进行优化，根据第一次优化结果进行微调，得到第二次优化值[3][6]。
4液压支架四连杆机构计算机辅助程序设计
Visual C++中包括多个功能组件，如文本编辑器、资源编辑器、资源编译器、程序编译器、调试器、连接器等。。在Visual C++的开发环境下，除了必要的计算外，具有相应的输入、输出功能。采用模块化的设计方法可以使软件结构清晰，容易阅读理解，便于软件的测试。因此，程序可以分为输入、计算、输出三大功能模块。[4][5]
（1）输入模块。参数设计中设计参数的输入要求输入四连杆机构设计时的输入参数，包括：液压支架最大高度、最小高度、后连杆下铰点至底座底面的距离、掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离，当输入参数确定后，计算结果以列表形式显示在对话框的列表控件中。点击选择任意有效的列表项，均会在对话框的绘图区中绘制当前计算结果的运动轨迹。运动图中体现四连杆机构各杆长度及液压支架由高到低运动过程中顶梁前端的运动轨迹。运动分析中结构参数要求输入A，B，C，D，E，F。根据四连杆机构简化模型，有B+F=G。
（2）计算模块。计算模块分为参数设计计算和运动分析计算，根据上述优化目标，相应约束条件及其相关计算原理编写参数设计和运动分析程序，经编译即得可执行的液压支架参数优化设计和运动分析程序。
（3）输出模块。计算结果输出有3种形式：文本输出、线图输出和参数设计的列表输出。参数设计的结果有若干组，动态改变列表控件的内容可以方便以线图来显示相应的计算结果。
利用ADAMS软件将液压支架四连杆机构建立成虚拟样机模型，进行动力学仿真，参数化处理，完成了对机构的运动干涉分析，在设计早期便确定了四连杆机构的参数和受力情况，其结果形象直观，仿真效果良好，为液压支架的设计提供了一种方便、实用的分析方法。
参考文献
[1] 王国法等著.液压支架技术[M].煤炭工业出版社，2003.10
[2] 王国彪 饶明杰.液压支架优化设计与计算机模拟分析[M].机械工业出版社.1994
[3] 王朝阳.薄煤层综合机械化开采及其液压支架设计研究[J].郑州大学.2006.4
[4] 杨敏.Visual C++6.0实用教程[M].电子科技大学出版社.2001
[5] 朱东海 刘良华 董海宁 程进兴 Visual C++6.0使用详解.机械工业出版社.1999
[6] 苗耀花.液压支架四连杆机构计算机辅助设计[J].煤炭科学技术.2007.6 51～54
【关键词】液压支架 四连杆 力学仿真 力学特性
【中图分类号】G64.28 【文献标识码】A 【文章编号】
0引言
液压支架是综采设备的主要设备之一，薄煤层液压支架在开采过程中由于煤层的特殊性，要求有更大的伸缩比，因此关键技术之一就是需要有合理的四连杆机构的设计，设计参数向高工作阻力，大中心距发展，结构件材料越来越多的采用高强度钢材，提高液压支架使用性能。
1 四连杆机构运动方程[1][2]
液压支架四连杆机构尺寸关系如图1所示，当液压支架在最大高度至最小高度范围内运动时，四连杆机构的运动应满足下列方程：
图1 液压支架四连杆机构尺寸
—前连杆长度； —后连杆长度； —前、后连杆上铰点之距离； —掩护梁长度； —前连杆上铰点到掩护梁之距离； —掩护梁上铰点 与顶梁之距离； —支架的高度； —四连杆机构的运动瞬心； —掩护梁上铰点； —掩护梁的水平倾角； —前、后连杆的垂直倾角； —瞬心 与掩护梁上铰点连线的水平倾角。
双扭线相对摆幅为：
前、后连杆轴线的交点（O）是支架四连杆的瞬时运动中心，也是掩护梁与顶梁铰点E初双纽线轨迹的曲率中心，EO连线与水平夹角越小，则双纽线的摆幅越小。
前连杆方程：
后连杆方程：
由前、后连杆方程解得四连杆机构瞬心为
四连杆机构瞬心o与e点连线与水平夹角为：
[1][2]
2四连杆机构运动学模型的建立
液压支架四连杆机构运动学分析方法常见有下列两种：一是，以支架后连杆水平倾角为自变量的常规分析法；二是，以支架工作高度为自变量的优化分析法。本文采用第一种分析方法以支架后连杆水平倾角为自变量的常规分析法[3]。
图2所示为四连杆机构简图
选取后连杆水平倾角 为自变量，并建立平面直角坐标系XOY。已知参数： 为后连杆长度； 为掩护梁长度； 为连杆 长度； 为前连杆长度； 为前连杆下铰接点D至支架底面距离； 为前后连杆下铰接点间的水平距离； 为后连杆下铰接点C至支架底面距离； 为顶梁与掩护梁铰接点P至支架顶面距离； 为P点至前连杆上铰接点B的距离； 为支架最低工作高度； 为支架最高工作高度。
图中， ， ， 分别为后连杆、掩护梁、前连杆的水平倾角； 为P点坐标。 为 与 之间的夹角； 、 分别为四连杆机构的运动瞬心 点与P点连线的水平倾角和长度； 、d分别为C，D连线的水平倾角与长度； 为瞬心 点的坐标；H为支架任意工作高度，则有
这样，只要给定后连杆水平倾角 ，四连杆机构其它参数由以上各式均可确定。这种分析方法思路明了，计算过程简单，编程方便，为目前国内外支架设计人员与研究人员所普遍采用。
3四连杆机构的动力学优化分析
优化分析是ADAMS/View提供的一种高级参数化计算，分析工具。可对连杆机构进行优化。液压支架四连杆机构样机优化设计方法有两种：第一种是同时考虑各个设计变量，进行仿真分析，得出优化结果，这种方法在设计变量较少时适用；第二种方法是先分别对每个设计变量进行优化灵敏度分析，选取灵敏度最高，即对设计影响最大的几个变量进行调整，得出优化结果。该方法在设计变量较多时适用。本文采用第二种方法计算。先设定 和 再对其余8个设计变量逐一进行优化，得到第一次优化值和灵敏度。可知 的灵敏度较高，因此再对这5个参数进行优化，根据第一次优化结果进行微调，得到第二次优化值[3][6]。
4液压支架四连杆机构计算机辅助程序设计
Visual C++中包括多个功能组件，如文本编辑器、资源编辑器、资源编译器、程序编译器、调试器、连接器等。。在Visual C++的开发环境下，除了必要的计算外，具有相应的输入、输出功能。采用模块化的设计方法可以使软件结构清晰，容易阅读理解，便于软件的测试。因此，程序可以分为输入、计算、输出三大功能模块。[4][5]
（1）输入模块。参数设计中设计参数的输入要求输入四连杆机构设计时的输入参数，包括：液压支架最大高度、最小高度、后连杆下铰点至底座底面的距离、掩护梁上铰点至顶梁顶面的距离，当输入参数确定后，计算结果以列表形式显示在对话框的列表控件中。点击选择任意有效的列表项，均会在对话框的绘图区中绘制当前计算结果的运动轨迹。运动图中体现四连杆机构各杆长度及液压支架由高到低运动过程中顶梁前端的运动轨迹。运动分析中结构参数要求输入A，B，C，D，E，F。根据四连杆机构简化模型，有B+F=G。
（2）计算模块。计算模块分为参数设计计算和运动分析计算，根据上述优化目标，相应约束条件及其相关计算原理编写参数设计和运动分析程序，经编译即得可执行的液压支架参数优化设计和运动分析程序。
（3）输出模块。计算结果输出有3种形式：文本输出、线图输出和参数设计的列表输出。参数设计的结果有若干组，动态改变列表控件的内容可以方便以线图来显示相应的计算结果。
利用ADAMS软件将液压支架四连杆机构建立成虚拟样机模型，进行动力学仿真，参数化处理，完成了对机构的运动干涉分析，在设计早期便确定了四连杆机构的参数和受力情况，其结果形象直观，仿真效果良好，为液压支架的设计提供了一种方便、实用的分析方法。
参考文献
[1] 王国法等著.液压支架技术[M].煤炭工业出版社，2003.10
[2] 王国彪 饶明杰.液压支架优化设计与计算机模拟分析[M].机械工业出版社.1994
[3] 王朝阳.薄煤层综合机械化开采及其液压支架设计研究[J].郑州大学.2006.4
[4] 杨敏.Visual C++6.0实用教程[M].电子科技大学出版社.2001
[5] 朱东海 刘良华 董海宁 程进兴 Visual C++6.0使用详解.机械工业出版社.1999
[6] 苗耀花.液压支架四连杆机构计算机辅助设计[J].煤炭科学技术.2007.6 51～54