掩護(hù)式液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
本文以一種經(jīng)濟(jì)型掩護(hù)式液壓支架四連桿設(shè)計為例，詳細(xì)敘述了液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，歡迎大家借鑒!
摘要：液壓支架是綜合機(jī)械化采煤的關(guān)鍵設(shè)備，對于提高采煤效率，降低成本，改善作業(yè)環(huán)境，減少笨重的體力勞動具有舉足輕重的作用。液壓支架四連桿作為液壓支架的重要部件，其參數(shù)選擇對支架性能有決定性影響。而參數(shù)采用優(yōu)化計算方法來設(shè)計液壓支架連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)，選擇最優(yōu)化結(jié)果，以便克服設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計帶來的缺陷和不足。
關(guān)鍵詞：液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
1、 四連桿機(jī)構(gòu)的作用
支架升降時頂梁的運動軌跡是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的，即由頂梁與掩護(hù)梁交點E的軌跡所決定。根據(jù)機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析，E點的運動軌跡一般為一條S型的雙紐線。
2 、四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定
在設(shè)計四連桿機(jī)構(gòu)時，要根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性來確定。其四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性如下：
2.1 支架從最高高度降到最低高度時，頂梁端點運動軌跡的最大寬度e最好小于30mm以下。
2.2 掩護(hù)梁上鉸點到頂梁頂面之距離H和后連桿下鉸點至底座底面之距Y0。對于經(jīng)濟(jì)型液壓支架此處取H2=100mm，Y0一般根據(jù)支架最小高度確定，薄煤層支架取Y0=150～250mm.
2.3 支架最大和最小高度時掩護(hù)梁與水平夾角Amax和Amin。一般掩護(hù)式支架取Amax≤52°~62°。
2.4 掩護(hù)梁與后連桿長度比的確定：對兩柱掩護(hù)式支架一般為0.9～1.2，對四柱支撐掩護(hù)式支架一般為1.2～1.8。掩護(hù)梁與前后連桿鉸點間的距離可根據(jù)支架高度及連桿銷子直徑確定，一般取300～500mm，前后連桿間夾角越大，連桿力越小。
2.5 分析可知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計四連機(jī)構(gòu)時曲線運動軌跡應(yīng)盡量使支架的工作段要取曲線向前突的一段，所以當(dāng)掩護(hù)梁和后連桿長度已知后，在設(shè)計時只要把掩護(hù)梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行作圖就可以了。
3 、四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計法
目標(biāo)函數(shù)的確定：支架在某一同高度時的θ角，恰好是頂梁前端點的雙紐線軌跡上的切線與頂梁垂線間的夾角。根據(jù)附加力對液壓支架受力影響的分析，為減少附加力，必須使tgθ有較小值。所以，只要令支架由高到低變化時，頂梁前端點運動軌跡近似成直線為目標(biāo)函數(shù)，這兩項要求都能滿足。
3.1 支架在最高位置時：p1=52°-62°，即0.91-1.08弧度;Q1=75°-85°，即：1.31-1.48弧度。
3.2 后連桿與掩護(hù)梁的比值，掩護(hù)式支架為I=0.45-0.61;支撐掩護(hù)式支架為I=0.61-0.82。
3.3 前、后連桿上鉸點之距與掩護(hù)梁的比值為I1=0.22-0.3。
3.4 e’點的運動軌跡呈近似雙曲線，支架由高到低雙紐線運動軌跡的最大寬度e<70mm最好在30mm以下。
3.5 支架在最高位置時的tgθ值應(yīng)小于0.35，在優(yōu)化設(shè)計中，對掩護(hù)式支架最好小于0.16，對于支撐掩護(hù)式支架最好小于0.2。
四桿機(jī)構(gòu)各部尺寸的計算
四桿機(jī)構(gòu)各部參數(shù)如圖2所示，圖中的H1為支架在最高位置時的計算高度。令o2a=A;ab=B;bc=C;cd=D;o2d=E;ae′=G;e′b=F;JQ1=S;je′=L;=I=I;tgθ==U.
3.5.1 后連桿與掩護(hù)梁長度的確定
當(dāng)支架在最高位置時的H1值確定后，掩護(hù)梁長度G為：G=
后連桿長度A=IG 前后連桿上鉸點之距為：B=I1G
前連桿上鉸點至掩護(hù)梁上鉸點之距為:F=G-B
從以上各式，可求出多組后連桿和掩護(hù)梁的尺寸。為了簡化計算，對各變量規(guī)定相應(yīng)的步長如下：P1的步長為0.34弧度;Q1的步讓為0.34弧度，I1的步長為0.02;I的步長;掩護(hù)式支架為0.032;支撐掩護(hù)式支架為0.042。
上述四個變量各向前邁出五步，經(jīng)排列組合使得到625組A、B、F、G的參數(shù)值。
3.5.2 后連桿下餃點至坐標(biāo)原點之距為E1，如上圖所示。E1=FcosP1-AcosQ1
3.5.3 前連桿長度及角度的確定
當(dāng)支架高度變化時，掩護(hù)梁上鉸點e’的運動軌跡為近似雙紐線，為使雙紐線最大寬度和θ角盡量小，可把e’點的運動軌跡視為理想直線，當(dāng)然實際并非如此。但是，我們可以做到當(dāng)支架高度變化時，有三點在這條直線上.根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，當(dāng)e’點沿理想垂線由最高向最低運動時，后連汗與掩護(hù)梁的夾角由大于90度到小于90度變化，在夾角變化過程中，一定有一位置使后連桿與掩護(hù)粱處于垂直狀態(tài)，以這一特殊狀態(tài)為所求的中間某一位置，來確定直線上中間某一位置的點。
①b1點的坐標(biāo)。當(dāng)支架在最高位置是的計算高度為H1，此時b1點的坐標(biāo)為：
x1=Fcos(P1) y1=H1-Fsin(P1)
②b2點的坐標(biāo)。支架在最低位置時的計算高度為H2，此時b2點的坐標(biāo)為：
x2=Fcos(P2) y2=Bsin(P2)+Asin(Q2)
根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)幾何特征要求，支架降到最低位置時，Q2≥25°-30°，為計算方便，令Q2=25°，即0.436弧度。根據(jù)幾何關(guān)系P2為:P2=arctg
③b3點坐標(biāo)。當(dāng)支架的掩護(hù)梁與后連桿成垂直位置時，根據(jù)幾何關(guān)系，b3點的坐標(biāo)為：x3=Fcos(P3) y3=Bsin(P3)+Asin(Q3)
式中P3由下式進(jìn)行計算。
P3=-(arctg+arctg
Q3=-P3
④c點坐標(biāo)。根據(jù)圖2-6所示，支架在三個位置時四桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系確定后，c點就是過b1、b2、b3這三點的圓弧的圓心。所以，cb1=cb2=cb3為前連桿的長度。因此，可以用圓的方程求得前連桿的長度。即：C=
上式中x1、yc為c點的坐標(biāo)，可以按下列方程聯(lián)立求得:
聯(lián)立上式可得：
xc= yc=
則由以上各式可得前連桿的長度為：
C=
3.5.4 前連桿下鉸點的高度和前連桿下鉸點在底座上的投影距離
當(dāng)前連桿c點的坐標(biāo)確定后，D和 E的長度為：
D=yc E=E1-xc
四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)選
按上述方法可以求出625組四桿機(jī)構(gòu)尺寸，并非所有值都可以用，故要優(yōu)選。約束條件是根據(jù)tgθ值的要求和支架的結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系，對國內(nèi)外現(xiàn)有支架的調(diào)查統(tǒng)計得出來的。約束條件如下：
①前后連桿的比值范圍。根據(jù)現(xiàn)有支架調(diào)查統(tǒng)計，前后連桿的比值C/A=0.9-1.2范圍。
②前連桿的高度不宜過大，一般應(yīng)使D<。
③E的長度，一般應(yīng)使E<。
④對掩護(hù)式支架應(yīng)使tgθ<0.16，對支撐掩護(hù)式支架u<0.2，|tgθ|=||=U。
⑤四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序編寫：根據(jù)以上約束條件和計算式子，寫出程序流程圖3如下所示：
說明：由于采用迭代法進(jìn)行搜索，計算方案的多少取決于各優(yōu)化參數(shù)步長的選取，步長越短，可能的方案越多，反之越少，甚至可能漏掉了一些比較好的結(jié)果。但步長過短，計算量就會變大，帶來復(fù)雜的缺點。本次計算以一種經(jīng)濟(jì)型掩護(hù)式液壓支架即ZY2000/12/24型支架四連桿設(shè)計為例，代入設(shè)計參數(shù)。使用的步長可使有625組數(shù)選擇，即有625個方案可選。但是首次運行無結(jié)果。后決定在不影響支架工作性能的條件下，對其中的一個參數(shù)P1稍微擴(kuò)大一下范圍(0.9-1.2變成0.85-1.2)，運行出一組數(shù)據(jù)，具體運行計算結(jié)果如下：
p1=0.884000，q1=1.378000，a=1.034782，b=0.393862
c=0.991655，d=0.452725，e=0.531994，f=1.396419，c1=1.064921
s=0.217931，l=1.362868，g=1.790280，i=0.578000，i1=0.220000
o=0.958323，u=0.159906，d=0.452725，e=0.531994
⑥電算法頂梁前端點雙鈕線軌跡繪制。根據(jù)上面四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化計算結(jié)果用電算法優(yōu)化參數(shù)Q4(Q4為支架后連桿與水平面之間的夾角，支架高低變化時，Q4=85度～25度，即1.48弧度至0.436弧度。)并計算出多組x，y 值。(x值的變化相當(dāng)于頂梁前端點與煤壁之距的變化。如果使Q4角按間隔0.087弧度變化，可以計算30組x、y值。故頂梁端點運動軌跡最大寬度為emax=xmax-xmin。編程不在這里列出。運行結(jié)果如下：Ex=0.032。運行結(jié)果使頂梁端點運動軌跡最大寬度為emax=xmax-xmin=0.032m=32mm，這說明四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果是可用的。根據(jù)以上優(yōu)化設(shè)計程序編程運算，結(jié)果限于篇幅所限不在這里給出。
參考文獻(xiàn)：
[1]丁紹南.編著.《采煤工作面液壓支架設(shè)計》世界圖書出版公司出版.1992.
[2]張家鑒.主編.《液壓支架》煤炭工業(yè)出版社.1985.
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