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中文翻譯
基于ADAMS仿真軟件的液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘要：在設(shè)計(jì)一個(gè)大傾角的工作面液壓支架時(shí)，提出了一種四桿連機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并使用ADAMS軟件應(yīng)用于四連桿機(jī)構(gòu)的建模與仿真。為了達(dá)到最佳效果,實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的建模和優(yōu)化,設(shè)計(jì)結(jié)果要滿足實(shí)際要求的才好。通過這種虛擬設(shè)計(jì)的方法，可以降低誤差及其設(shè)計(jì)效率能得到有效的改善。
關(guān)鍵詞：液壓支架；四連桿機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ADAMS仿真軟件
1.簡(jiǎn)介
四連桿機(jī)構(gòu)是掩護(hù)式液壓支架或支撐掩護(hù)式液壓支架至關(guān)重要的一個(gè)組成部分。它的功能有兩個(gè)方面: 第一，幫助液壓支架的立柱上升或降低，頂梁的前端差不多是垂直的上上下下移動(dòng)， 如此可以在煤壁和頂梁的前緣之間保持一段差不多恒定的沒有支撐的距離。對(duì)于頂板的控制來說，這是被廣泛地認(rèn)為非常合乎需要的一個(gè)特點(diǎn)。第二，液壓支架要能承擔(dān)更大的水平方向的載荷。
在設(shè)計(jì)一個(gè)大斜傾角度的液壓支架時(shí)，四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要工作。四連桿機(jī)構(gòu)的的尺寸直接影響液壓支架的性能和地位。在傳統(tǒng)的四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，BASIC 程序被用于去計(jì)算設(shè)計(jì)，但是其結(jié)果經(jīng)常不能滿足設(shè)計(jì)要求，并且不能獲得這個(gè)最佳的解決問題的辦法。目前，ADAMS 軟件被越來越多的廣泛地在機(jī)械力學(xué)領(lǐng)域方面使用。因此，為了得到一個(gè)最佳的解決問題的設(shè)計(jì)辦法，本文利用ADAMS軟件建模和模擬四連桿機(jī)構(gòu)的之間的關(guān)系。
2.四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸計(jì)算
2.1. 四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性
(1) 如圖1所示，當(dāng)液壓支架從最底位置伸到最高位置時(shí)，其雙紐線運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度小于或等于70毫米，最好應(yīng)該不到30毫米。
圖1 四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征
(2)如圖1四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征所示，P角為頂梁與掩護(hù)梁之間的夾角，Q角是后連桿與水平線之間的夾角。P角與Q角應(yīng)該滿足以下要求。當(dāng)支架伸到最高位置時(shí)，P≤52°~62°，Q ≤ 75°~85°。當(dāng)支架在最低位置時(shí)，tanP>W，根據(jù)摩擦學(xué)理論，它能使巖石落下地并且用掩護(hù)梁擋住巖石防止其落在工作區(qū)。鋼材和巖石的摩擦系數(shù)W是0.3，即P=16.7°。當(dāng)支架在最低的位置時(shí)，為了保障安全性，P>25才是合理的。在后桿底部和底座之間的有一段距離，Q≥25°~30°。
(3)如圖1四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征所示，θ角是水平線與從e1點(diǎn)到瞬時(shí)中心O的直線之間的夾角，e1點(diǎn)是掩護(hù)梁與頂梁連接的鉸點(diǎn)。在支架的設(shè)計(jì)中，θ角應(yīng)該滿足的條件：tanθ ≤0.35，其直接影響支護(hù)的增量力。
2.2.四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸計(jì)算
；；；；；；
；；；；；
圖2 四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)
1) 后連桿與掩護(hù)梁的長(zhǎng)度計(jì)算
如圖2所示,如果H1被確定，掩護(hù)梁的長(zhǎng)度：
（1）
后連桿的長(zhǎng)度
（2）
前、后連桿上鉸點(diǎn)之距為：
（3）
前連桿上鉸點(diǎn)至掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)之距為：
F =G—B （4）
如圖3所示，在后連桿和坐標(biāo)原點(diǎn)的在底部連接點(diǎn)之間的距離是E1。
圖3 四連桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系
2） 前連桿長(zhǎng)度及角度的確定方法：
b1的坐標(biāo)
當(dāng)支架在最高位置時(shí)的計(jì)算高度為H1，此時(shí)b1點(diǎn)的坐標(biāo)為：
( 5 )
( 6 )
b2的坐標(biāo)
支架在最低位置時(shí)的計(jì)算高度為H2，此時(shí)b2點(diǎn)的坐標(biāo)為：
（7）
（8）
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(shí)，Q2≥25°~30°。為了計(jì)算方便，令Q2=25°。
（9）
b3點(diǎn)坐標(biāo)
當(dāng)支架的掩護(hù)粱與后連桿成垂直位置時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系b3點(diǎn)的坐標(biāo)為:
（10）
（11）
（12）
（13）
c點(diǎn)坐標(biāo)
為前連桿的長(zhǎng)度，因此，可以用圓的方程求得前連桿的長(zhǎng)度。
（14）
c點(diǎn)坐標(biāo)是:
（15）
（16）
c點(diǎn)坐標(biāo)求出后，前連桿長(zhǎng)度和角度就可以確定了。
3) 前連桿下鉸點(diǎn)的高度D和前、后連桿下鉸點(diǎn)在底座上的投影距離E
當(dāng)前連桿c點(diǎn)坐標(biāo)確定后，D和E的長(zhǎng)度為：
D=yc （17）
E=E1—xc (18 )
對(duì)于大傾角的液壓支架來說，當(dāng)傾斜角度增大時(shí)，液壓支架的重力線，或者對(duì)頂板的壓力和自身重力將背離支架底座，那些將沿支架軸向方向的力，將產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)的一個(gè)力矩，導(dǎo)致支架倒下。根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系和力矩平衡狀況，結(jié)論是要使支架不倒的情況為 Qr ≤G。因此，煤壁的傾角a是決定液壓支架不會(huì)倒下的因素。
(19)
式中，Q是作用在頂板上的力，N是支架底座的寬度，H是支架的使用高度，h是支架質(zhì)量的中心的高度。
設(shè)計(jì)的大傾角的液壓支架，它的最大支護(hù)高度為2600mm，支架的支護(hù)高度應(yīng)滿足在大傾角煤壁條件下的支架要求，支架的計(jì)算高度H1應(yīng)該增加到2118mm。
使用程序以傾斜射線作為目標(biāo)函數(shù)，下面結(jié)果可以被獲得。
，，，
，，，
，，，
，.
3.四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)優(yōu)化
3.1.四連桿機(jī)構(gòu)的建模和雙紐線的模擬
ADAMS軟件，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，該軟件是MDI公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。
通過程序可以計(jì)算和繪出如圖2和實(shí)體尺寸，通過ADAMS軟件可以建立四連桿機(jī)構(gòu)的模型。選擇中心點(diǎn)O為基準(zhǔn)， 與x軸一致， 與y軸一致，如圖4所示。
圖4 四連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單模型
模型建立以后，使用限制條件(關(guān)節(jié))工具條加進(jìn)連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對(duì)，和旋轉(zhuǎn)工具 線加進(jìn)連接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對(duì)形成輪狀的對(duì)和研磨連結(jié)點(diǎn)。最后既定的模擬條件，通過ADAMS/PostProcesser軟件跟蹤的e1點(diǎn)，它類似于雙紐線軌跡如圖5所示。
圖5 e1點(diǎn)的雙紐線軌跡
由于上述分析，這條雙紐曲線軌跡不能滿足設(shè)計(jì)要求。它應(yīng)該考慮到θ角度對(duì)頂梁上的力和大傾斜角度的工作面液壓支架的影響。降低支架的最大高度并且選擇較小的角度θ的位置 ,選擇垂直高度在927mm~1673mm范圍內(nèi)的曲線，作為頂梁的前緣的運(yùn)動(dòng)軌跡。
3.2.四連桿機(jī)構(gòu)的建模和最優(yōu)化的參數(shù)確定
因?yàn)榭紤]到計(jì)算的值并不是由模擬和分析引起的最佳的結(jié)果，最佳的設(shè)計(jì)連桿尺寸是由建模中的參數(shù)所獲得，所以能滿足設(shè)計(jì)要求的最佳的結(jié)果。
在確定參數(shù)的建模期間，每個(gè)連接點(diǎn)被調(diào)整成為變量，并且每個(gè)變量的設(shè)計(jì)結(jié)果通過分析變量可以從中獲得，如下表格1中所示。
表格1 設(shè)計(jì)結(jié)果
設(shè)計(jì)變量
設(shè)計(jì)點(diǎn)
坐標(biāo)
原值
（mm）
精度
（mm）
優(yōu)化結(jié)果（mm）
1
1點(diǎn)
Y
367.3
4.4
265
2
2點(diǎn)
X
421.91
-2.3
478
3
3點(diǎn)
X
981.96
0.46
1006.5
4
4點(diǎn)
Y
814.88
-5.9
835.25
5
5點(diǎn)
X
756.22
-3.5
829.40
6
6點(diǎn)
Y
1001.99
0.86
1024
7
7點(diǎn)
X
-52.36
0.86
12.10
8
8點(diǎn)
X
0
0.44
10.2
9
9點(diǎn)
Y
0
0.375
-9.58
觀察設(shè)計(jì)變量在設(shè)計(jì)中的影響和范圍。通過MSC.ADAMS/View軟件提供各種圖的解析作為研究報(bào)告，這包括設(shè)計(jì)變量的準(zhǔn)確性。如上表格1所示的設(shè)計(jì)結(jié)果那樣，點(diǎn)1，點(diǎn)2，點(diǎn)4，點(diǎn)6的靈敏度較大。這暗示著這4個(gè)變量對(duì)最優(yōu)的結(jié)果影響也較大。設(shè)置4個(gè)準(zhǔn)確性更加大的設(shè)計(jì)點(diǎn)， 采用ADAMS/PostProcesser軟件一起改變每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的曲線，然后通過比較并選出最優(yōu)的分析結(jié)果。通過操作優(yōu)化程序，四個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)被優(yōu)選出來得到最好的結(jié)果。最終四連桿機(jī)構(gòu)的最優(yōu)的實(shí)體尺寸通過分析和計(jì)算得到。
，，，
，，，
，，，
，。
通過ADAMS軟件，根據(jù)計(jì)算的四連桿尺寸的模型，然后通過軌跡模擬分析各連接點(diǎn)，如下圖6中所示。
圖6較完善的軌跡曲線
通過分析四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化的結(jié)果完全滿足液壓支架的設(shè)計(jì)要求。
4. 結(jié)論
使用先進(jìn)的ADAMS軟件不僅取得四連桿機(jī)構(gòu)模型的確定參數(shù)，運(yùn)動(dòng)軌跡模擬和最優(yōu)化的大傾斜角的工作面液壓支架的設(shè)計(jì)的參數(shù)，而且分析有關(guān)組成部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。盡可能完善液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完全滿足實(shí)際大傾角液壓支架使在復(fù)雜條件下的最大要求， 因此基于ADAMS軟件優(yōu)化的結(jié)果證明液壓支架的四連桿機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。
致謝
感謝中國(guó)的第十一個(gè)五年計(jì)劃里國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)和計(jì)劃的工程給予這篇文章的支持。
參考文獻(xiàn)
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