液压支架小四连杆护帮机构的优化设计.pdf

2 0 1 3 年第5 期 中州煤炭 总第 2 0 9 期 液压支架小 四连杆护帮机构 的优化设计 田 龙 ， 张定 堂。 ， 李海 波 1 ．郑州煤矿机械 集团股份有限公 司， 河南 郑 州4 5 0 0 1 3 ； 2 ．南京迈 实软件有限公司 ， 江 苏 南京2 1 0 0 1 8 摘要 根据液压支架小 四连杆护帮机构特性， 推导 了该机构 的运 动及 力学模型 ； 论 述 了循环遍历 算法在小 四 连杆优化设计方面的优势及循环遍历优化算法 的具体实现过程 ， 并对优 化前后小 四连杆机构 参数进行 了对 比分析。结果表 明， 利用循环遍历优化算法进行设计对小 四连杆护帮机构的性能有较 大程度 的提高。 关键词 液压支架 ； 小四连杆护帮机构 ； 优化设计 中图分 类号 T D 3 5 5 ． 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 30 5 0 6 2 0 1 3 0 5 0 0 3 8 0 2 随着煤炭开采技术的发展 ， 大采高液压支架在 煤矿综采工作面得到了越来越广泛的应用。随着采 高的增加， 煤壁片帮的可能性增大 ， 对液压支架护帮 板的设计提出了更高的要求。与铰接式护帮机构相 比， 小四连杆式护帮机构能够提供更强的支护力矩 ， 因此在 液 压 支 架设 计 中的 应 用 越 发 普 遍 ⋯ 。但 由 于受机构 运动 及空 间 布置 的影 响 ， 人 工选 择 小 四连 杆机构参数的工作量大 ， 时间长， 精度低 ， 且不能保 证该 机 构 的力 矩最 大 。笔 者通过 小 四连杆机 构 的运 动 及力 学特性 分析 ， 利 用 计 算机 优 化 算 法可 快 速 准 确 地选 取小 四连杆 护帮 的机构参 数 。 1 小 四连杆机构的运动及力学模 型 液压支架小四连杆式护帮机构如图 1 所示 。其 运 动原理 通过 液压 油 缸 活 塞杆 的伸 缩使 连 杆 机 构 围绕 O点 进 行 转 动 。护 帮 机 构 由于 受 液 压 支架 运 输及 支 护限定 ， 设计 时 应 确保 水 平 挑 起及 逆 时 针 收 回时机构 不会 发生 干涉 。 图 1 小 四连杆护帮机构展开简图 收稿 日期 2 0 1 3一 叭 一l 7 作者简介 田 龙 1 9 6 3 一 ， 男 ， 山东济南人 ， 工程师 ， 现任郑州煤矿 机械集 团股份有限公 司设计研究院成套所所 长。 3 8 对小四连杆护帮机构建立关于 D点的力学模 型 图 2 ， 设千 斤顶 的作用 力 为 P， 左 连杆 E D 的连 杆力 为 F ， 右连 杆 C D 的 连杆 力为 F ， 则 关 于 D 点 水平 力平衡 方程 为 P e o s H D O l F 2 C O S C DO 1 一F l C O S E D O 3 0 1 关 于 D点 垂直 力平衡 方程 为 P s i n H D O 1 F 2 s i n LC D O 1 F l s i n E DO 3 0 2 联 立式 1 、 式 2 解 方程得 P c 0 s HDOl s i nLE DO3s i n H DOl c o s E DO 3 C O S CDOl s i nLEDO3s i n C DOl C O S EDO3 Pe o s HDOlF2 C O S CDO1 一 设 0点 到左 连 杆 E D 的垂 直 距 离 为 h ， 护 帮 力 矩为 ， 则 F ， h 。 设 0点 为直角 坐标 系原 点 ， 护 帮水 平 挑起 时护 帮转 动 角为 0 ， 护 帮 围绕 0点 逆 时 针旋 转 时旋 转 角 为 0 ， 则 图 1 所示 各点位 置关 于 0的位 置方 程为 X0 0； Y o 0 XA0； Yaa X8b； YBⅡ Xc b； Yc 。 一C XF 一as i n 0一ge o s 0； Y FaC O 8 0一gs i n 0 XE X， i n 0； Y E Y，一 O 8 0 XD X e c o s ； Yo Y E e s i n 式 中 ， 为 E D杆 关于 E点 的水 平 角 ， 可通 过 三角 形 的正 弦或余 弦定理 求得 。 图 2小 四连杆机构 D 点力学模型 2 0 1 3年第 5期 田 龙 ， 等 液压 支架 小 四连杆 护帮机 构 的优化 设计 总第 2 0 9期 2优化方法选择 小 四连 杆 护 帮机 构 优 化 的 目标 在 满 足轨 迹 要 求 的基础上 ， 确保护帮力矩 最大 ， 即 m a x f W F． h ， 同时将 满足 液压 支架 护帮用 小 四连杆 机构 的轨 迹 要 求作 为该 优化 问题 约束 函数 。若该 优 化 问题 利 用机 械优 化设 计 的方 法 进 行 求解 ， 则 由于对 小 四连 杆机 构 的轨迹 约束 限定 条 件 较 多 ， 故 不 一定 能 得 到 最优解或者解发散； 即使有解 ， 也会 由于结果唯一 ， 无 法 提供 备选 方案 。 循环遍历算法是利用循环机制 ， 对求解变量进 行递推求解的方法。对于本小 四连杆护帮机构的优 化 求 解 问题 ， 则可 以将 图 1中 n ， b ， c ， d ， e ， g作 为循 环变 量 ， 各 变量 在 指定 的取 值 范 围 内根 据设 定 的迭 代步长进行循环赋值 ， 并对指定变量值进行轨迹约 束判定及力矩求解。利用循环遍历算法对小 四连杆 机构进行优化求解 的算法层次性好 ， 便 于实现及调 试 ， 可靠性 高 ， 并可 提 供 多 种 优 化方 案 供 设 计 选 择 ， 与机 械优 化设计 方法 相 比更具 有优 势 。 3循环遍历优化算法 的实现 根据循环遍历算法的要求 ， 设定循环迭代步长 为 5 ， 指 定 变量 o ， b ， C ， d ， e ， f ， g的取 值 范 围 ， 增 加 小 四连 杆轨迹 约束 条件 1 三角形 成立条 件 判断 E C为 E点至 c点 距 离 。 ma x e ， d ， E C 1 5 。 00 3 位 置条 件判 断 。 Y D Y ， Y oY c ， X X D X c 0 0 Y F Y c 01 8 0 。 4 连杆 机构 死 角判 断 即 C 、 D、 日不共 线 。 Y n XnY c- Xc c 0 4 1 8 0 小 四连 杆护 帮机 构循 环遍 历算 法流 程如 图 3所 示 。 4小 四连杆机构优 化数据对 比 利用上述算法原理 ， 编写小 四连杆机构计算机 优化 程序 ， 以某小 四连 杆机 构 为原型进 行 优化 ， 优化 前后 各变 量 的对 比数据 见表 1 。 优化 前该 小 四连杆 护帮 机构 的最 大挑 起力 矩为 5 6 ． 1 k N m， 而 优 化 后 该 机 构 的 最 大 挑 起 力 矩 为 7 1 ． 0 4 k N m。因此通过优化设计 ， 在保证机构成立 的基础 上 ， 力 矩增 大 了 近 2 7 ％ ， 有 效 地 增 强 了 护 帮 的支 护能力 。 图 3小四连杆机构优化循环遍历算法流程示意 表 1 某小 四连杆机构数据优化对 比 m m 变量 0 b C d e ， g 2 1 0 2 0 0 1 O 5 结语 小 四连 杆护 帮机构 由于其 良好 的支护特 性在 液 压 支架 中得 到越来 越 广 泛 的应用 ， 而 利用 循 环 遍 历 算 法对小 四连杆 机构 进 行 优 化求 解 不 仅 能快 速 、 准 确 地计算 出小 四连杆 机 构 尺 寸 ， 同 时还 可 有 效 地 确 保护帮支护能力最优 ， 进而提高液压支架 的整体支 护 性能 。 参 考文 献 [ 1 ] 王 国法． 液压支架技术[ M] ． 北京 煤炭工业出版社． 2 0 1 0 ． [ 2 ] 曹 必德 ， 秦 东晨 ， 倪 和平 ， 等 ． 液压支 架 四连 杆机构 仿真优 化 [ J ] ． 煤 矿机电， 2 0 0 6 5 2 4 - 2 5 ． [ 3 ] 王本林 ， 王军． 液压支架小 四连杆机构计算机辅助设计 [ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 1 1 1 1 9 ． 2 1 ． 责任 编辑 许 久峰 3 9