礦用液壓支架四連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

郝智江

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備制造有限公司中央機(jī)廠， 山西 大同 037001）

引言

對(duì)于四連桿的液壓支架來(lái)講，液壓支架的受載能力很大程度上由四連桿結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)參數(shù)而定，液壓支架的橫向運(yùn)動(dòng)幅度越小為宜。目前通?；趩蝹€(gè)目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及數(shù)值迭代求解對(duì)四連桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，方法雖然經(jīng)濟(jì)性好且易于操作實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于井下的主要承載設(shè)備來(lái)講顯得精度不足。為解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)參數(shù)化的理論計(jì)算方法對(duì)液壓支架四連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)范圍的確定及具體結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算，通過(guò)仿真方法及專家評(píng)價(jià)法，確定了所計(jì)算的液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)性能，能大大提高設(shè)備自身的安全性及使用壽命，這為后期開展四連桿結(jié)構(gòu)的具體方案設(shè)計(jì)提供了重要理論支撐。

1 四連桿機(jī)構(gòu)位置及參數(shù)的確定

液壓支架頂梁在工作過(guò)程中呈現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，由液壓支架的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式所決定。如本文討論的四連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖示掩護(hù)梁與頂梁的連接點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡，就決定了頂梁的升降動(dòng)作。根據(jù)已有的研究表明，M點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為類似于雙曲線的S形軌跡。依靠對(duì)四連桿參數(shù)的合理選取，控制M點(diǎn)在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式和速度，即可減少液壓支架零部件如各種連桿的受力。

根據(jù)液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以下幾何運(yùn)動(dòng)特性：

1）當(dāng)液壓支架頂梁由上至下運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了確保液壓支架頂梁、掩護(hù)梁兩端間距恒定，頂梁端點(diǎn)的最大運(yùn)動(dòng)范圍為ΔXM＜80 mm。

2）確定支架高度尺寸后，再根據(jù)頂梁、底座與支架高度尺寸間的相互匹配關(guān)系，確定頂梁與底座長(zhǎng)度的尺寸，如圖1所示將掩護(hù)梁端點(diǎn)與頂梁之間的距離設(shè)為h，根據(jù)現(xiàn)有液壓支架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一般取h=160～210 mm，對(duì)于大型支架取h=220～270 mm。液壓支架后連桿端點(diǎn)與底座安裝面之間的距離為h1，h1的確定根據(jù)煤層情況來(lái)確定，一般來(lái)講煤層薄時(shí)，h1=160～260 mm；煤層厚度中等時(shí)，h1=260～460 mm；煤層較厚時(shí)采用重型支架，h1=460～610 mm。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3）液壓支架掩護(hù)梁與水平面夾角θ的限制。特別是當(dāng)液壓支架由下至上，高度從最小達(dá)到最高時(shí)，θ的最大值應(yīng)在57°～61°的區(qū)間，θ的最小值應(yīng)在13°～19°的區(qū)間。

4）掩護(hù)梁與后連桿長(zhǎng)度應(yīng)呈特定的比例關(guān)系。對(duì)于兩柱掩護(hù)式液壓支架來(lái)講，掩護(hù)梁長(zhǎng)度與后連桿長(zhǎng)度之比應(yīng)在1.3～2.2之間；對(duì)于四柱掩護(hù)式液壓支架來(lái)講掩護(hù)梁長(zhǎng)度與后連桿長(zhǎng)度之比應(yīng)在1.4～1.9之間；依照支架高度h和連桿兩端的安裝直徑來(lái)確定掩護(hù)梁與前后連桿連接點(diǎn)的位置。根據(jù)現(xiàn)有研究表明，前后連桿之間的夾角越大，則前后連桿所承受載荷越小，通常應(yīng)將前后連接點(diǎn)的距離控制在400～600 mm之間。

5）為了保證液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及精確性，四連桿機(jī)構(gòu)必須滿足工作過(guò)程中頂梁運(yùn)動(dòng)最前端的曲線復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡。

由此，通過(guò)以上幾點(diǎn)內(nèi)容，可完成對(duì)液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的位置及關(guān)鍵參數(shù)范圍，為下文開展四連桿機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)計(jì)算提供設(shè)計(jì)支撐。

2 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

實(shí)例計(jì)算的流程為：選取某型液壓支架作為研究對(duì)象，以頂梁端點(diǎn)橫向位移最小為目標(biāo)，采用遺傳算法進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。并在ADAMS依據(jù)所得參數(shù)進(jìn)行仿真并判斷參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理。

以某型放頂煤液壓支架架型為例，其四連桿機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。其約束條件為：

圖2 四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖

1）液壓支架在由下至上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大高度Hmax＜ymax+h+h1，最小高度Hmin＞ymin+h+h1。其中y代表圖1中M點(diǎn)與D點(diǎn)之間的距離。

2）角度限制。如圖1與圖2，θmin＜θ＜θmax，αmin＜α＜αmax，ηmin＜（β-ω）＜ηmax，已知h1=310 mm，h=260 mm，Hmin=2 100 mm，Hmax=4 100 mm，最大、最小采高分別為2 100 mm、3 600 mm。根據(jù)已有數(shù)據(jù)和遺傳算法的程序設(shè)計(jì)，以頂梁端點(diǎn)橫向位移最小為優(yōu)化目標(biāo)，得到參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)果如表1所示。

計(jì)算得出頂梁端點(diǎn)橫向位移為3 mm。為明確優(yōu)化結(jié)果參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)需求，在ADAMAS中建模并運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算，篇幅有限不再詳述仿真過(guò)程，其結(jié)果表明設(shè)計(jì)參數(shù)滿足要求，頂梁端點(diǎn)橫向運(yùn)動(dòng)位移為5 mm，計(jì)算誤差僅為2 mm。誤差結(jié)果極好，判斷標(biāo)準(zhǔn)為在實(shí)際情況下50 mm內(nèi)的誤差工程上完全可以接受[3-5]。

同時(shí)，將此設(shè)計(jì)的液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)與對(duì)應(yīng)的規(guī)范相比，能完成滿足規(guī)范要求，且綜合指標(biāo)值相對(duì)更高，可大大提高液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及作業(yè)安全，為下一步開展四連桿機(jī)構(gòu)的具體三維方案設(shè)計(jì)提供了重要理論支撐。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

礦用液壓支架具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)支撐性能，是提高煤礦開采作業(yè)安全性的關(guān)鍵，而四連桿機(jī)構(gòu)的合理、準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)則相對(duì)重要。與液壓支架中其他部件不同，有必要采用理論計(jì)算、三維設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、樣機(jī)驗(yàn)證等多種方法相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路來(lái)開展四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而理論計(jì)算是所有方法中的基礎(chǔ)，對(duì)后期進(jìn)行科學(xué)、有根據(jù)、最經(jīng)濟(jì)的四連桿機(jī)構(gòu)樣機(jī)設(shè)計(jì)打下重要基礎(chǔ)。