液压支架机构运动精度可靠性的分析与仿真.pdf

郑州大学 硕士学位论文 液压支架机构运动精度可靠性的分析与仿真 姓名郭哲锋 申请学位级别硕士 专业机械设计及理论 指导教师秦东晨；武红霞 201105 摘要 摘要 液压支架是煤矿综采技术中的关键设备之一，随着现代化采煤技术的发展， 对液压支架设计的要求也越来越高。本文主要针对液压支架的运动精度可靠性 进行了分析和仿真，对今后在本领域的研究提供必要的参考和理论依据。 本文论述了液压支架机构运动精度可靠性的计算方法，提出了含二力杆连 续接触运动的理论模型，推导出该理论模型可靠度的计算方法，并设计了验证 模型对该理论进行了理论验证和A D A M S 仿真试验验证。 选择了液压支架三个具有代表性的工作位置，通过分析这些位置支架的受 力情况，论证了液压支架机构对含二力杆连续接触运动理论的适用性，并应用 该理论分析计算了液压支架机构的运动精度可靠度。 在A D A M S ／V i e w 中建立了液压支架机构的动力学模型，在模型中添加了必 要的约束和驱动，用添加接触力的形式模拟了含间隙铰链位置的连续接触运动 形式。创建了和动力学模型中某些特征相对应的设计变量，通过这些特征在模 型中的几何位置关系对模型进行了参数化设置。设计了以时间为自变量的生成 随机数的函数关系式来定义项板对顶梁随机变化的压力和摩擦力。 在A D A M S ／I n s i g h t 中对设计变量进行了正态分布的设置，采用蒙特卡洛模 拟试验的方法得到了顶梁前端运动轨迹的数字特征，其与理论分析得到的数字 特征相比较差异较小，验证了理论模型计算的正确性。 对液压支架的杆机构进行了优化设计，优化后的机构提高了液压支架的运 动精度可靠度。 关键词液压支架运动精度可靠度连续接触蒙特卡洛法A D A M S A b s t r a c t A b s t r a c t H y d r a u l i cs u p p o r ti so n eo f t h ek e ye q u i p m e n ti nt h em e c h a n i z a t i o nm e t h o do f t h ec o a lm i n i n g ．W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mc o a lm i n i n gt e c h n o l o g y ，t h e r e q u i r e m e n tf o rt h eh y d r a u l i cs u p p o r td e s i g ni sm o r ea n dm o r eh i g h ．T h et h e s i s r e s e a r c hm a i n l ya n a l y z e sa n ds i m u l a t e st h em o t i o np r e c i s i o n r e l i a b i l i t y o ft h e h y d r a u l i cs u p p o r ta n dp r o v i d e st h en e c e s s a r yr e f e r e n c e sa n dt h e o r i e so ft h ea r e ai nt h e f u t u r e ． n l i st h e s i sd i s c u s s e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h em o t i o np r e c i s i o nr e l i a b i l i t y ． n l et h e o r i c a lm o d e lo ft h ec o n t i n u o u sc o n t a c t i n gm o t i o n 、Ⅳi n lt w o f o r c eb a r si sp u t f o r w a r da n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h i st h e o d c a lm o d e lr e l i a b i l i t yi sd e d u c e d ．n e t h e o r yi sv e r i f i e di nt h e o r ya n di nt h eA D A M Ss i m u l a t i n gt e s tb yd e s i g n i n gt h e v e r i f i c a t i o nm o d e l ． T h r e er e p r e s e n t a t i v ew o r k i n gp o s i t i o n so ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ta r es e l e c t e d ．B y a n a l y z i n gt h ef o r c ec a s eo ft h e s ep o s i t i o n s ，i ti sp r o v i n gt h a tt h eh y d r a u l i cs u p p o r t m e c h a n i s mi ss u i t a b l ef o rt h et h e o r yo ft h ec o n t i n u o u sc o n t a c t i n gm o t i o n 、Ⅳi m t w o - f o r c eb a r s ．1 1 l em o t i o np r e c i s i o nr e l i a b i l i t yo ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ti sa n a l y z e d a n dc a l c u l a t e db yt h i st h e o r y ． n ed y n a m i cm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ti sb u i l ti nA D A M S ／V i e w ．S o m e n e c e s s a r yc o n s t r a i n t sa n dd r i v e r sa l ea d d e di nt h i sm o d e la n dt h ec o n t i n u o u s c o n t a c t i n gm o t i o n o ft h eh i n g ep o s i t i o nc o n t a i n i n gt h eg a pi ss i m u l a t e db ya d d i n gt h e c o n t a c tf o r c e ．S o m ed e s i g nv a r i a b l e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ed y n a m i cm o d e lf e a t u r e sa r e S e tu pa n dt h em o d e li sc o n f i g u r e dp a r a m e t e r i c a l l yb yt h eg e o m e t r i c a lr e l a t i o n so f t h e s ef e a t u r e si nt h em o d e l ．D e s i g n i n gt h e g e n e r a t i o nf u n c t i o n o ft h er a n d o m v a r i a b l e su s i n gt h et i m e 勰t h ev a r i a b l ei sa p p l i e dt od e f i n et h er a n d o mp r e s s u r ea n d f r i c t i o no f t o pb e a mf r o m b o t t o mb o a r d ． n ed e s i g nv a r i a b l e sa r es e tu pb yt h en o r m a ld i s t r i b u t i o ni nA D A M S ／I n s i g h t ． 1 1 1 ed i g i t a lc h a r a c t e r so ft h et o pb e a mf r o n to r b i to r eo b t a i n e db yt h eM o n t eC a r l o e x p e r i m e n tm e t h o da n dh a v el i t t l ed i f f e r e n c ew i t ht h et h e o r ya n a l y s i sr e s u l t ．I ti s p r o v e dt h a tt h et h e o r ym o d e li sc o r r e c t ． A b s t r a c t T h eh y d r a u l i cs u p p o r tm e c h a n i s mi so p t i m i z e d ．T h em o t i o np r e c i s i o nr e l i a b i l i t y o ft h eo p t i m i z a t i o nm e c h a n i s mi si n c r e a s e d ． K e yW o r d s h y d r a u l i cs u p p o r t ；m o t i o np r e c i s i o nr e l i a b i l i t y ；c o n t i n u o u sc o n t a c t i n g ； M o n t eC a r l om e t h o d ；A D A M S 插图清单 插图清单 图2 ．1 铰接式运动副非连续接触模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 图2 ．2 铰接式运动副连续接触模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 图2 ．3 连续接触模型示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 图2 ．4 理想状态下的铰链⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 图2 ．5 二力杆受压力的铰链⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 图2 ．6 含二力杆连续接触示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 图2 ．7 曲柄滑块机构示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 图2 ．8 曲柄滑块机构仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 图2 ．9 曲柄滑块机构仿真试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 图3 ．1 支架在工作面的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 图3 ．2 液压支架模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 图3 ．3 无间隙顶梁运动轨迹⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 图3 ．4 掩护式液压支架的受力图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 图3 ．5 四杆机构简化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 图4 ．1 液压支架的动力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 图4 ．2 液压支架动力学模型中约束的添加⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 图4 ．3 液压支架顶梁前端点的运动轨迹⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 图4 ．3 液压支架高度的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 图4 ．4 液压支架顶梁前端的水平位移偏移量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 图5 ．1 杆机构中的几何位置关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 图5 ．2 随机数生成函数的分布特性图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 图5 ．3 销轴中心和套筒中心的距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 图5 ．4 销轴中心和套筒中心的横向距离⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 图6 ．1 设计变量D Vl 的正态分布设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 图6 ．2 设计变量D Vl 的分布特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 图6 ．3 实验类型的设置说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 图6 ．4 仿真试验的结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l 图6 ．5 横坐标变化量的分布特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 图6 ．6 线性拟合后各项的系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 图7 ．1 优化目标的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 图7 ．2 优化结果的统计信息⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 图7 ．3 目标的优化折线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 图7 ．4 计入间隙后的横向变化量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 附表清单 附表清单 表3 ．1 前后连杆的受力情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 l 表4 ．1 液压支架模型在A u t o c a d 中关键点的坐标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 表5 ．1 参数化坐标的函数表达式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 表6 ．1 线性拟合数据统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 表7 ．1 优化结果统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 V 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的来源与意义 本课题来源于2 0 1 0 年河南省科技攻关项目“液压支架的数字化设计平台开 发“ 课题编号1 0 2 1 0 2 2 1 0 0 8 5 ，是该课题的主要研究内容之一。 目前，中国的能源主要以煤炭为主，已探明的煤炭资源占到石油、天然气、 水能、煤炭和核能等一次能源总量的9 0 ％以上，在中国能源的生产消费中占支 配地位。在当今世界上，能源利用已由原来的以煤炭为主转向油气为主，而中 国仍是世界上极少数几个以煤为主要能源的国家之一。 在2 1 世纪上半叶，世界能源仍将以化石燃料为主。随着石油、天然气资源 的日渐短缺和洁净煤技术的进一步发展，煤炭的地位和重要性还会逐年提升。 根据我国的资源状况和煤炭在能源结构中的比例，以煤炭为主体的能源消费在 很长一段时间内不会有所改变。我国能源结构的基本特点 富煤、贫油、少气 决定了煤炭在一次能源中重要的地位。我国煤炭资源总量为5 ．6 万亿吨，其中已 探明储量为l 万亿吨，占世界总储量的1 1 ％。煤炭在全国一次能源的生产和消 费中长期占7 0 ％以上比例。专家预测，在本世纪的前3 0 年内，煤炭在我国一次 能源的构成中仍将占主体地位。 煤炭是我国最安全、最可靠、最经济的能源。我国的煤炭资源总量远远超 过石油和天然气的资源总量；随着新技术的推广和应用，煤炭生产成本正在持 续下降；洁净煤技术也已取得重大突破，这些都将会使煤炭成为廉价、洁净、 可靠的能源。目前，世界油品价格居高不下，煤炭的成本优势更加明显。据预 测，到2 0 2 0 年我国的石油供需缺口将迸一步扩大，大量进口不仅消耗大笔外汇， 而且极易受制于人，增加了能源安全供应的隐患。因此，以煤炭液化得到的液 体燃料和利用水煤浆替代石油将是一种必然趋势。从这个意义上讲，煤炭在我 国未来国民经济中的地位将更加重要【l 】。 在上述情况和背景下，煤炭大量、安全、高效的生产也已成为我国当前和 今后长期面临和需要解决的问题，而安全可靠的液压支架应用在煤炭生产中， 为煤炭的安全生产消除了极大的隐患，液压支架能有效而可靠的控制和支撑工 作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入回采的工作面和推进输送机，它与采 1 绪论 煤机配套使用能够实现采煤综合机械化，解决了机械化采煤过程中顶板管理滞 后于采煤工作的矛盾，进一步提高和改善了采煤和运输设备的效能，减轻工人 的劳动强度，最大限度的保障了煤矿工人的生命安全【2 】。 近年来，我国的液压支架研制工作发展的很快，从基本上依赖进口，发展 到自行设计和制造，而且品种繁多、功能齐全、质量可靠。 经过我国科技工作者的发展和努力，液压支架的设计、制造水平正不断提 升，特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累的经验相当丰富，架型已基 本趋于成熟，在品种和质量方面与国际先进水平的差距正逐步缩小。但在控制 元件和控制系统方面，与先进国家的产品还存在较大差距。如我国的液压支架 主要为手动杠杆控制，而国外已广泛采用电液控制系统。支架在液压供液系统 及液压元器件的寿命等方面与国外还有较大差距【3 】。今后应继续针对我国的国情 和煤层的具体条件，开发新架型、新品种，还应设计一些先进的支架控制系统， 进一步提高支架工作的可靠性。我国液压支架的设计今后应朝着技术含量高、 钢板强度大、移架速度快和电液控制的方向发展。 随着科学技术的不断进步，对机构运动精度的要求也在不断提高，而机械 是由一个或若该干个机构组合而成。由于机构的尺寸、质量、间隙、载荷、变 形等随机因素的影响，在规定的条件下和规定的时间内，机构并不总能完成其 规定的功能。因此，机构的运动精度可靠性问题日益突出，它对加工产品的质 量、制造成本以及机械本身的寿命等等都有较大的影响【4 l 。当液压支架的支护高 度变化时，四连杆机构使得顶梁前端的运动轨迹呈近似双扭线运动，从而使支 架项梁前端点与煤壁间的距离变化大大减少，提高管理顶板的能力【5 】。由于设计 及加工过程中必然引入误差，而且支架在使用一段时间后会有磨损，这些都会 使支架顶梁的运动轨迹偏移理想的设计轨迹，若偏移超过了规定的限度，则认 为机构按运动精度要求失效，这种情况是人们不愿意看到的。因此对液压支架 运动精度可靠性的研究是十分必要的。 1 ．2 课题研究的国内外现状与分析 人们对可靠性的重视由来已久，但可靠性作为科学或可靠性定量指标的研 究是从第二次世界大战以后才迅速发展起来的。可靠性技术的发源地在美国， 可靠性的研究始于2 0 世纪4 0 年代美国对其生产的电子真空管的失效分析。可 2 1 绪论 靠性在历经四个发展阶段之后，现已成为一门内容丰富的工程技术学科。 2 0 世纪4 0 年代是可靠性工程的萌芽阶段。第二次世界大战期间，美军的电 子设备在存储期大约就有5 0 ％失效，机载电子管的寿命连2 0 小时都达不到。由 此，迫使国防部开始探讨研究可靠性问题，并与1 9 4 3 年成立了“真空管研究委 员会“ ，专门研究电子管的寿命问题。这标志着可靠性的研究开始起步。 2 0 世纪5 0 年代是可靠性的创建阶段。朝鲜战争期间，武器系统的雷达经常 出故障，能工作的时间仅有1 6 ％，舰船设备也只有3 3 ％能有效工作，这些促使 美军内外开始对可靠性进行系统的研究。美国与1 9 5 0 年成立“电子设备可靠性 专门委员会“ ，1 9 5 2 年国防部成立“电子设备可靠性顾问委员会“ A d v i s o r y G r o u po nR e l i a b i l i t yo fE l e c t r o n i cE q u i p m e n t ，A G R E E 。19 5 7 年A G R E E 发表了“军 用电子设备的可靠性”报告，说明产品的可靠性是可以定量、可以分配和可以验 证的，从而建立起可靠性的框架，奠定了可靠性的基础。前苏联从2 0 世纪5 0 年代后期，日本、原联邦德国从5 0 年代后期也都开始了可靠性研究。 2 0 世纪6 0 年代是可靠性的全面发展阶段。美国在该阶段迅速发展出了可靠 性的设计和试验方法，并取得了重要成果。1 9 6 5 年颁布的M I L - S T D - 7 8 5 军用标 准 1 9 6 9 年修订为7 8 5 A 是其中最显著的成果。在此期间，世界各国也普遍成 立了可靠性的研究机构，推广可靠性教育，建立了可靠性管理制度，制定出可 靠性标准。如英国1 9 6 1 年成立“可靠性与质量全国委员会“ ，1 9 6 6 年开展“全 国质量与可靠性年“ 活动；法国于1 9 6 2 年成立“可靠性中心”；日本从美国引 进并且发展了可靠性技术，在民用电子产品的可靠性方面，取得了世界领先的 地位。 2 0 世纪7 0 年代以后是可靠性的深入发展阶段。由于军用装备使用观念发生 了转变，从单纯的重视性能到重视效能，从单纯的要求高可靠性到要求可靠性、 维修性等综合指标，并将可靠性、维修性作为减小全寿命周期费用的工具，如 美军提出了“设计以可靠性第一，最大工作效能第二“ 的原则，因此，可靠性 分析、综合环境、可靠性增长及可靠性管理均得到了发展。最具代表性的成果 是1 9 8 0 年美国防部指令D O D D 5 0 0 0 ．4 0 “可靠性及维修性“ 和修订的 M I L ．S T D ．7 8 5 B 标准 其中M I L ．S T D ．7 8 5 B “设备和系统研制和生产阶段的可靠 性大纲”1 9 9 8 年6 月被I E E E P l 3 3 2 标准“电子系统和设备的研制和生产可靠性 大纲“ 取代 1 6 1 。 机构运动可靠性以机构精确度理论和运动误差分析为基础，它着重解决了 3 1 绪论 运动可靠性中在给定运动条件下的准确性问题。实际机构的运动规律是由构成 机构的各构件的几何形状、尺寸、质量、材料性能及作用在机构上的驱动力和 工作阻力等因素决定的。对于同一类机构，由于制造中质量误差、使用时工作 阻力、动力源及维护保养等差异存在，它们的运动参数不尽相同；就是对于同 一个机构，随着使用地点、环境及使用时间的变化运动参数也是一个变量。所 以，在上述影响因素为随机变量的情况下，机构运动规律的输出参数也是一个多 元随机变量。现有的机械可靠性理论一般是建立在概率论统计的大数定律和中 心极限定理的基础上，进行机械零部件的可靠性计算与分析，首先必须获取应 力和强度的大样本数据，并由此得到应力和强度的分布规律；由于机械产品可 靠性工作相对于电子产品而言起步较晚，实际工程中机械可靠性数据积累明显 不足，因此，机械可靠性的计算与分析工作往往由于缺乏可靠性数据而难以开 展。对于大型重要的机械设备而言，这方面的问题更为严重。可以说，小样本 问题一直以来都是制约机械可靠性发展的一大瓶颈【．7 1 。 就一个机构而言，它必须在某一规定的时间内完成规定的动作，并准确地到 达某一位置。如在完成动作的过程中，出现时间超差，位置精度超差，或不能 连续、协调地完成规定的动作，则视为运动不可靠。由此，机构运动可靠度可 定义为机构在规定的条件和时间内、协调、准确地完成规定动作的概率。对于 平面机构，它可以分为机构动作和机构运动精度可靠度两个方面。机构动作可 靠度是指在规定的条件和时间内，连续、协调地完成动作所需驱动力大于阻力 的概率。它也可分为两个内容，一是机构克服阻力，连续、协调地完成动作的 可能性，即完成动作的可靠度；二是完成动作所用的时间不超出规定范围的概 率，即时间可靠度；机构运动精度可靠度被定义为机构输出运动的误差落在最 大允许范围内的概率。该误差主要是由杆件 这里将构件视为刚体 的参数误差， 运动副间隙及磨损等因素引起的悸】。 我国可靠性的工作从1 9 5 6 年成立“环境试验所”开始，1 9 6 5 年在钱学森等 人的建议下，原七机部五院成立了“可靠性质量管理研究所“ 7 0 5 所 ，进行了 开拓性工作。但由于“十年动乱“ ，7 0 5 所被迫解散，可靠性的研究一直处于停 滞状态，直到1 9 7 3 年才恢复了可靠性研究工作。1 9 7 8 年提出并开展了“七专“ 专人、专机、专科、专批、专检、专技、专卡 活动，1 9 7 9 年中国电子学会 成立“可靠性与质量管理专业学会“ ，1 9 8 1 年又成立“中国电子元器件质量认证 委员会”，1 9 8 2 年国家标准局成立“全国电工电子产品可靠性与维修性标准化技 4 1 绪论 术委员会“ ，使我国可靠性的研究得以蓬勃发展，并制定了一系列的国家标准 我国在可靠性的研究方面相比西方发达国家还有一些差距，但是经过不懈努力， 我国的可靠性研究工作也已取得了显著成果；例如，目前我国生产的电视机， 其可靠性已有了较大提高，达到了国际水平；与结构可靠性性相比，机构可靠 性的研究要晚一些，从上世纪七八十年代开始，N k 十年代末有了一些基础， 到九十年代才有了一些成果；到现在为止，这方面发表的文章仍然比较少；相 信经过我国广大科技工作者的不懈努力，在不久的将来，我国在这方面的研究 水平和成果一定能够赶上和超越西方发达国家【6 】。 1 ．3 本课题的主要研究内容 本文将以国内某公司生产的某型液压支架为研究对象，把主要构件简化为 简单的四杆机构，分析其铰接四杆机构的运动精度可靠性【9 J 。 对液压支架铰接四杆机构运动精度有影响的因素主要包括杆件的加工尺 寸误差，．铰链的配合间隙误差，铰链磨损形成的间隙误差，精度的变化导致杆 件变形引起的误差，工人的不正当使用造成的误差等等。本课题主要针对杆机 构的尺寸误差、铰链的配合和磨损等造成的间隙误差分析对铰接四杆机构运动 精度可靠性的影响。 本文所做的工作主要有以下几方面内容 1 ．本文提出了一种新的计算可靠度的方法，即含二力杆连续接触运动模型， 设计了简单的曲柄滑块机构，通过理论计算和A D A M S 仿真试验验证了含二力 杆连续接触运动模型的正确性； 2 ．通过对液压支架前后连杆的受力情况进行分析说明了液压支架对含二力 杆连续接触理论模型的适用性，应用含二力杆连续接触运动理论计算了液压支 架运动精度可靠度的理论值； 3 ．在A D A M S ／V i e w 中对液压支架进行了动力学建模； 4 ．把动力学模型中的主要构件参数化，设计出了一个生成随机数的时间函 数模拟了顶板对顶梁随机变化的压力； 5 ．将动力学模型导入到A D A M S ／I n s i g h t 模块进行相关设置，继而进行仿真 试验，得到液压支架机构的仿真试验数据，验证理论计算值的正确性 6 ．对液压支架机构进行了优化设计，提高了运动精度可靠度。 5 2 机构运动精度可靠性理论与分析 2 机构运动精度可靠性理论与分析 2 ．1 运动精度可靠性的相关理论 2 ．1 ．1 运动精度可靠性的概念及计算方法 机构运动精度可靠度定义为机构的输出误差落在最大允许误差范围内的 概率【1 0 1 。 本文主要研究液压支架机构在升降过程中液压支架机构的顶梁前端运动轨 迹的变化是否满足设计要求，即顶梁前端的运动轨迹的变化量是否超出了允许 的最大变化量【1 1 1 。若将液压支架的底座平面作为横向x 方向，竖直方向作为纵 向Y 方向，则运动精度可靠度定义中的输出误差对于液压支架应将顶梁运动轨 迹的横向变化范围，即顶梁的横坐标x 的变化量x 。作为机构的输出误差，将允许 的最大变化范围6 做为最大允许误差进行可靠度的计算。 即计算Z 8 一x 。 o 的概率，z 6 一x 。定义为状态函数。 液压支架中的杆长误差、配合误差和金属磨损都属于随机变量，一般认为 服从正态分布【1 2 】。假设横坐标x 的变化量x 。也服从正态分布，当允许的最大变化 量6 为定值的时候，状态函数的数字特征如下 均值l l E Z 6 一E ‘ 6 一I I 。 2 ．1 方差6 D Z D 8 - - ‘ D ‘ 6 2 ．2 其中I I 。和6 分别为x 。的均值和方差。 p ≥定义为可靠度指标【1 3 】。当基本随机变量服从正态分布时，可靠度为 D R - 0 p 。式中① 为标准正态分布函数【1 4 1 。 通过以上对运动精度可靠度定义和在液压支架机构中的计算方法的相关介 绍和分析可知要计算机构的运动精度可靠度，关键是得到机构状态函数的数 字特征，即状态函数的平均值和方差【”】。 2 ．1 ．2 运动精度可靠性的连续接触模型理论 连续接触模型理论是相对于非连续接触模型理论而提出的，首先介绍一下 6 2 机构运动精度可靠性理论与分析 非连续接触模型理论 当机构运动速度较低，且受力较小，铰链式运动副中销轴和轴套套孔间分离 的可能性较大，主要处于非连续接触状态【1 们。如图2 ．1 所示，销轴在套孔中运动， 销轴的中一1 3 , 在误差圆范围内随机分布【1 7 1 ，误差圆半径由套孔直径与销轴直径差 决定。该理论适用于载荷较轻的工作情况【1 引。其对液压支架并不是非常适用。 图2 ．1 铰接式运动副非连续接触模型 连续接触模型理论当机构运动速度较高或受力较大时，铰链式运动副中销 轴和轴套套孔间接触的可能性较大【l 引。偶尔也会有相互分离的情况，但绝大多 数时间内是处于连续接触状态的【2 们。显然用非连续接触模型分析该状态下的销 轴中心局域坐标的随机特性是不合适的，因此建立铰链式运动副连续接触的可 靠性分析模型【2 。连续接触模型如图2 ．2 所示，销轴紧贴套孔内壁运动，销轴的 中心在误差圆上随机分布，误差圆半径由套孔直径与销轴直径差决定。 ．彤‘心 R 一⋯柚一 图2 ．2 铰接式运动副连续接触模型 7 孔 2 机构运动精度可靠性理论与分析 O 图2 ．3 连续接触模型示意图 连续接触模型理论的思想就是销轴紧贴套简内壁在销轴内随机分布，当载 荷较大和载荷的方向随机变化或不能确定的时候，销轴的确应该在销轴内壁上 随机分布瞄J 。图2 ．3 为连续接触模型示意图。 考虑到液压支架工作时载荷较大波动较大，偶尔也有可能出现机构的卡滞 和顶梁被不平整的顶板顶住而横向载荷瞬时达到极大的情况，其横向载荷的方 向和大小也不确定，掩护梁上还总是有不能确定的矸石落下所带来的冲击力【l 】， 这种情况下销轴在误差圆上分布的随机性很大，所以连续接触模型理论适用于 液压支架的可靠性分析。但传统上在对液压支架受力分析的时候横向载荷主要 考虑的是顶板对顶梁的摩擦力，相对于卡滞等引起的横向力要小的多，这时液 压支架间隙铰链处的接触情况未必是随机的，连续接触模型理论未必适用于此 种情况下的液压支架运动精度可靠度的理论分析。 2 ．2 对含二力杆连续接触运动的可靠性分析 2 ．2 ．1 对含二力杆连续接触运动的可靠性分析 在连续接触模型中机构运动过程中的每一个位置销轴中心都在误差圆上随 机分布，但有时人们往往只关注在某种工作状态下机构的工作特性，有些次要 的因素都加以简化和取消，这种理想的假设和简化往往代表了多数无突发事件 情况下的工作状态。 当载荷较大且比较稳定，运动速度较慢，摩擦和震动的作用相对较小时， 在铰接副含有间隙的机构的运动过程中，销轴在误差圆上并不是随机分布的， 或者说随机分布的可能性是比较小的。如果销轴和二力杆为一体，销轴中心大 8 2 机构运动精度可靠性理论与分析 多数情况下都能在误差圆上合力的作用点附近变动。以二力杆受压为例，对这 一情况进行分析。 销 误差 销轴 图2 ．4 理想状态下的铰链 ／ ， 图2 ．5 二力杆受压力的铰链 销轴和二力杆为一体，理想状态下销轴的中心和套筒中心是重合的，如图 2 ．4 所示位置，套筒和销轴之间的间隙为套简直径与销轴直径的差。当二力杆受 压时，压力的方向沿着二力杆两个铰接点连线的方向作用于二力杆，如图2 ．5 所 示，销轴和套筒内壁接触，当机构运动，二力杆转动一个位置时 图中虚线表 示 销轴和套筒内壁仍然接触，对二力杆的作用力方向总是指向套简中心，同 时也通过二力杆的两个铰接点连线方向，所以在震动较小运动速度较慢的情况 下，销轴在套筒内运动，二力杆大多数情况下都是以套筒中心0 为圆心旋转。 9 2 机构运动精度可靠性理论与分析 图2 ．6 为简化上述模型的简化图，设二力杆的杆长为R ，当套简和销轴之间 的间隙为T 时，误差圆半径G T ／2 ，二力杆受压力时的有效杆长为R G ，受拉 力时为R G 。 图2 ．6 含二力杆连续接触示意图 当机构中同时含有杆长误差和间隙误差，且二力杆受压时，假设普通杆r 和二力杆R 的杆长误差分别为△r 和A R ，误差圆G 的误差为A G 时，则普通杆 和二力杆的有效杆长分别为 r 忖△r ， G G A G ，R R 一 H △R 一△G ，r 和R 分别为理想长度，G 为理想误差圆半径。 若理想状态下机构的运动方程为y f r ，R ，则在含杆长误差和二力杆间隙 误差的情况下，机构的运动方程为y ’ ／ r ．，R ．，G f 什△r ，R G △R 一 △G 。将y ’在r ’R G 处泰勒展开，舍去二次以上项， 则y ’ 厂 r ，R ，G 吼r ’R ，G 善 △r 丢 △R 一差 △G 2 ．3 因为丽a f 丽a f 等 一望O R ，所以 y k 厂 r R ，G 善 △r 觎a f A R A G 2 ．4 J L l E y ’ ≈／ r R ，G - - 等E △r 丢E A R A G O r 2 ．5 d Ⅸ 1 0 2 机构运动精度可靠性理论与分析 仃2 - D y ’ ≈ 筹 2q 2 ‘丽o f 2 ％2 仃昙 2 ．6 仃；、仃；、仃G 2 分别为普通杆杆长误差的方差，二力杆杆长误差的方差和误 差圆半径误差的方差。 2 ．2 ．2 对含二力杆连续接触运动理论的简单验证 为了对上述模型进行验证，以图2 ．7 所示对心曲柄滑块机构为例，用以上理 论对其可靠度进行计算和验证。 B 图2 ．7 曲柄滑块机构示意图 图2 ．7 所示对心曲柄滑块机构A B 为曲柄r ，长度为2 5 0 士2H i m ；B C 为连杆 R ，长度为3 5 0 生2l 砌；连杆末端有一滑块，滑块质心为C 点，作用力F 作用在 滑块上，方向指向点A ，交接点A 、C 处无间隙，交接点B 处有间隙存在，销 轴与B C 一体，销轴直径为2 0 m m ，套筒与A B 一体，套简直径为2 4 士2 m m 。曲 柄A B 从O o O 。处沿着吼增大的方向 逆时针 转动，计算当A B 转动到0 0 - - 4 5 。 时A C 间距离的数字特征。 可知B C 为二力杆且受压力，当0 0 4 5 0 时，B - - 3 0 ．3 4 0 ，无间隙时A C 间距离 的方程为 X rc o s o o Rc o s o l 2 ．7 带入吼 4 5 00 1 3 0 ．3 4 0 ，即X rc o s 4 5 0 尺c o s 3 0 ．3 4 。 2 ．8 当间隙存在时，根据以上含二