掩护式液压支架的优化设计.pdf

2 0 1 4年第 2期 煤矿支护 4 7 石 家 庄中 煤 杯 参评 论文 掩护 式液压支架的优化设计 张 闯 杨琳 琳 [ 三一 重型 装备有限公 司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 2 7 ] 摘 要 液压支 架对 支护 顶板 的管理 能力 由四连杆 结构 参 数决定 。本 文 以顶梁 前端 运 动轨 迹 为 目标 函数 ，建 立 了支架几 何 运 动模 型 ，应 用 混 沌粒 子 群 算 法对 Z Y6 O O O 进行 了优化设计。通过对比分析，优 化的参数合理可靠，提高 了支架的运动特性， 为液压 支 架 的设 计方 法提供 了一个 新 的参 考 。 关键 词 液 压支 架 四连杆 粒子群 算 法 优 化设 计 液压支架是综采工作面的支护设备 ，主 要作用是支护采 场顶板 ，维护安全 作业空 间 。掩护 式液 压支架 的掩 护梁 、底 座和 前后 连杆 构成 了 四杆机构 ，它决定 了支 架在 升 降 过程 中顶 梁前 端 的运 动轨 迹 。对其 四杆 机构 进行 优化设 计 ，可 以有效 地控 制轨 迹变 化 的 宽度 ，有 利于 支架对 顶板 的支 控 和管理 。 2液压支 架运 动学模 型 液压 支架 运动模 型如 图 1所示 。 图 1中 ， 点 是 底 座 与 后 连 杆 的 铰 点 ， A点 是底 座与 前连杆 的 铰点 ，B点 是掩 护 梁 与前 连杆 的铰点 ，C点是掩 护 梁与 后连 杆 的 铰点 ，E是顶梁 与掩 护梁的铰点 。I 是后 连杆 的长 度 ，I 为前 后 连 杆 与 掩 护 梁 铰 点 B和 c之间 的长度，L J 是前 连杆 的长 度， L 为 前连 杆与 掩 护 梁 的 铰 点 B到 掩 护 梁 与 顶梁 的铰点 E之 间 的 长 度 ，I 。 是 前 连 杆 与 底座 铰点 A 的高 度 ，L 是 前 连 杆 与底 座 铰 点 A 与后连 杆与 底座 铰点 B的水平 距 离 ，d 是铰 点 A 与 铰 点 C之 间 的距 离 ，a为 掩 护 梁与 水平方 向的夹 角 ，8为后 连 杆 与水 平 方 向的 夹 角 ，e 是 前 连 杆 与 AO 之 问 的 夹 角 ， e 是铰 点 E轨 迹变 化 的长度 ，H 是支架 的高 I 。 ＼ 图 1 i 匿压 支 架 简 化 结 构模 型 度 。以 0点为坐标原 点，根据几何关 系得 到下式 d 一L L ； I ； 2 L ／ L ； L j C O S 7r a t a n I 5 ／ L6 一G 1 ￡ 一 口C O S[ d L L ； 一L ／ 2 1 。 ／ L ； L ； ]n c o s[ d 。 L 一 L ／ 2 d L 4 ] 2 {yX a L 6 c 3 { x 一 L t co s t3Y L sin t3 c 4 l 一 4 8 煤矿支护 2 0 1 4年第 2期 { X b L1． 6 --一L 4co 。 -- a ta n L 5／／ LL 6 Y L CO S ta n L c 5 l b L [ e 一 口 s ／ L s _J 』 x a L 6 【 Y 一 0 J x e L s L c 。 s [ ￡ 一 n a n L 5 ／ L 6 ]一 L s c 。 s a 7 H 一 L2 L 3 s i n a L 】 s i n 8 8 3混沌粒 子群 优化 算 法 混沌粒子群算法是一种集群智能优化算 法 ，其主要思想是 当粒子陷入局部最优点 时 ，首 先产 生一初 始混 沌变 量 ，然后 利用 混 沌映射函数产生混沌序列 ，并把每维变量变 换到优化变量的取值区间 ，替代原粒子 ，然 后继续进行混沌搜索 ，直到满足迭代条件为 止 ] 。根据对环境 的适应度将群体中的个体 移动到好的区域 。在每一次迭代中，粒子通 过跟踪 两个 “ 极 值 ”来更 新 自己。第一 就是 粒 子 本 身 所 找 到 的 最 优 解 ， 即 个 体 极 值 p b e s t ；另 一个 极 值 是 整 个 种 群 中所 找 到 的 最优解，即全局极值 g b e s t 。在找到这两个 最优值时，粒子根据如下公式来更新 自己的 速度 和位 置 r X t 1 一 x t v t 1 v t 1 一∞ v t c 1 r 1 F p b e s t t 一x t ] l c 2 r 2[ g b e s t t 一x 03 9 式 中 t 一 当前 的迭 代次 数 ； C 1 、C 2 一 加速 系数 ； r 、r 一 0 ，1 之 间 的随机 数 ； c t ， 一惯 性权 值 ； x t 、v t 一 迭代 到 第 t 次 时微 粒 的位 置和速 度 ； p b e s t t 一微 粒 的个体 极值解 ； g b e s t t 一 整 个 种 群 的 全 局 极 值 解 。 采用 L o g i s t i c映射构造混沌变量 ，其迭 代 式 为 Z 1 一“ Z i 1 一 Z i 1 0 式 中 控 制 参 量 ，当 一 4 ，0 ≤ Z 。 ≤ 1 时 ，L o g i s t i c 处 于 混 沌 状 态 ，Z 。 为 取 介 于 0 ～ 1 之 间的一组 随机数 ，由任意初 始值 Z 。 可以迭代 产生一 确定 的时 间序 列 Z ，z ， Z3， ⋯ ⋯ 。 4 液 压支 架的 优化设 计 根据上述液压支架的结构尺寸和几何关 系，选取各 杆 长度 参数 L 、L 、L 。 、I ⋯ L 、L 为设 计变 量 ，即 X 一 [L l ，L 2 ，L 3 ，I 4 ，L 5 ，L 6 ] E x 1 ，x 2 ，x 3 ，X 4 ，X 5 ，x 6 ] 以铰点 E的轨迹变化最小 为 目标 函数 ， 则 有 f x 一 e x ⋯ 一 x ⋯ 一 mi n 1 1 支架 由高 到低运 动，所 采用 的约束条 件为 ① 满 足式 1 ～ 8 的要求 ； ②支架高度范围满足 H HH 。 ； ③顶 梁 与掩 护 梁 铰 点 E轨 迹 呈 双 纽 线 应满 足 e ≤ 3 0 ram； ④ 支架 由 高 到 低 运 动 ，夹 角 a应 满 足 2 5 。 ≤a ≤ 5 2 ～ 6 2 。 ，夹 角 B应 满 足 2 5 ～ 3 O 。 ≤ B ≤7 5 ～8 5 。 [ ； ⑤ 长 度 比 应 满 足 0 ． 4 5 ≤ I ／ L L。 ≤ 0 ． 6 0 8；0 ． 2 2≤ I ／ L2 L3 ≤ 0 ． 3 ；0 ． 4 3 9 ≤L e ／ L 2 L 3 4 o ． 5 7 6 ； 以 Z Y6 0 0 0型号 液压 支架 为例 ，运 动 最 高高度 3 2 0 0 mm，最低高度 1 7 0 0 mm，顶梁 与掩护 梁 铰 点 到顶 梁 面 距 离 2 5 0 mm，底 座 与后连 杆 铰 点 到底 面距 离 6 6 0 mm，使 顶 梁 前 端在 工作 范 围 内水 平偏 移量 最小 ，采 用混 沌 粒子 群算 法 ，取 C 一 0 ． 2 ，C 一0 ． 2 ，∞一 0 ． 3 ，种群 规 模 5 0 ，最 大 迭 代 次 数 2 0 0 ，在 Ma t l a b软件上运行计算 ，结果见表 1 。 表 1 优化结果对 比 优化变量／ mm 原数据／ mm 优化后／ mm Ll 1 2 l O 1 0 7 5 L2 3 00 4 1 2 L3 1 5 0 0 1 6 2 0 L4 1 2 8 O 11 O 8 L5 3 4 0 5 2 7 L6 4 6 O 41 2 偏 移量 e 5 8 1 6 下转 第 4 6页 4 6 煤矿支护 2 0 1 4年第 2期 3应 用 该充填支架于 2 0 1 0年 7月初开始在冀 中能源邯郸矿业 集团郭二庄 矿投入 井下使 用 ，实 现 了采煤 作业 与矸 石粉煤 灰 充填 同步 进行，矸石粉煤灰充 满率接近 9 7 。通过 工 业性 试验 ，确 认该 矸石 粉煤 灰充 填液 压支 架 各项 性能 均达 到 了设 计 要求 。 通 过 郭 二 庄 矿 三 年 多 的 工 业 性 试 验 证 明，使用充填支架 ，在矿井永久煤柱中开掘 充填巷 道 后 ，用 矸石 粉煤 灰进 行充 填 ，置换 出永久煤柱的煤炭资源 ，不仅为建下开采开 辟 了新 途 径 ，为煤 炭企业 带来 新 的利 润增 长 点，也 为煤炭资源的充分开发提供 了全新的 技术 支持 ，是 我 国煤 矿挖 掘 矿 井 资源 潜 力 ， 实现 建设 绿色 矿 山的创 造性 成果 。 4 结 语 煤矿井下矸石粉煤灰充填技术 ，不仅提 高了煤炭资源 回收率，也为煤炭企业治理矸 石提供了切实可行的办法。充填支架作为该 技 术 的 主要装 备 ，也必 将具 有广 泛 的使用 及 推广价值 ，对建设绿色 、环保矿 山具有重大 意 义。 作者 简 介 牛 世 胜 男 ，1 9 6 8年 出 生 ，毕 业 于北 京科技 大学 矿业 机 械 专业 。现在 冀 中 能 源机 械装备 集 团邢 台机 械厂 工作 ，高级工 程 师 。联系 电话 0 3 1 9 2 0 6 7 0 7 6 。 收稿 日期2 O 1 4年 0 4月 0 8日；责任编辑 陈桂娥 上接 第 4 8页 5 结 论 液压支架对顶板的管理能力 由其 四连杆 结构参数所决定。本文应用混沌智能群算法 对四连杆机构进行 了优化设计 ，提高了承载 能力 ，并 减小 了运 动偏 移量 ，优 化结 果合 理 可靠 ，为液压支架 的设计方法提供了一种新 的参 考 。 参 考文 献 [ - 1 3 高健 ，汪勇 ．混沌最优化算法在结构 优化设计 中的应用[ J ]．合 肥工业 大学 学 报 自然 科 学 版 ，2 0 0 6 ，2 9 6 7 51 7 5 4． E 2 ]L I N KS H，WE US TE RB OT Z D ． Ge n e t i c a l g o r i t h m f o r mu l t i 。 o b j e c t i v e e x p e r i me n t a l o p t i mi z a t i o n[ J ]． Bi o pr o c e s s a nd Bi o s ys t e ms Eng i n e e r i n g，2 0 0 6 ，2 9 6 3 8 5 3 9 0 ． [ 3 ] B r i t i s h S t a n d a r d I n s t i t u t i o n ．B S E N 1 8 0 4。 2 M a c h i ne s f o r u nde r gr ou nd mi ne s s a f e l y r e q u i r e me nt s f o r hy d r a ul i c p owe r e d r o o f s up po r t s， p a r t 2 P o we r s e t l e g s a n d r a ms[ s ]． Lo nd o nBSI Gr ou p Pr e s s，2 00 2 ． 第一 作者简 介 张 闯 男 ，1 9 8 4年 出生 ， 哈尔 滨人 ，硕 士 。现在 三一 重型 装备 有 限公 司支架研 究院从事煤 机设备 的设 计研发 工 作 。 E ma i l z h a n g c h u a n g t y k d 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 O 1 4年 0 4月 2 0日；责任编 辑陈桂娥 上 接 第 1 7页 第 一作 者简 介 魏 群 男 ，1 9 8 3年 出生 ， 2 0 0 7年 毕 业 于 山 东 科 技 大 学 ，工 学 硕 士 。 现在煤炭科学研究总院南京研究所工作 ，工 收稿 日期 2 0 1 4年 0 2月 1 2日；责任编 辑陈桂 娥 m E 话 联 一