- 相關(guān)推薦
掩護(hù)式液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
本文以一種經(jīng)濟(jì)型掩護(hù)式液壓支架四連桿設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)敘述了液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，歡迎大家借鑒!
摘要：液壓支架是綜合機(jī)械化采煤的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于提高采煤效率，降低成本，改善作業(yè)環(huán)境，減少笨重的體力勞動(dòng)具有舉足輕重的作用。液壓支架四連桿作為液壓支架的重要部件，其參數(shù)選擇對(duì)支架性能有決定性影響。而參數(shù)采用優(yōu)化計(jì)算方法來設(shè)計(jì)液壓支架連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)，選擇最優(yōu)化結(jié)果，以便克服設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來的缺陷和不足。
關(guān)鍵詞：液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
1、 四連桿機(jī)構(gòu)的作用
支架升降時(shí)頂梁的運(yùn)動(dòng)軌跡是由四連桿機(jī)構(gòu)決定的，即由頂梁與掩護(hù)梁交點(diǎn)E的軌跡所決定。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，E點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡一般為一條S型的雙紐線。
2 、四連桿機(jī)構(gòu)定位尺寸和極限參數(shù)的確定
在設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，要根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性來確定。其四連桿機(jī)構(gòu)的幾何特性如下：
2.1 支架從最高高度降到最低高度時(shí)，頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度e最好小于30mm以下。
2.2 掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)到頂梁頂面之距離H和后連桿下鉸點(diǎn)至底座底面之距Y0。對(duì)于經(jīng)濟(jì)型液壓支架此處取H2=100mm，Y0一般根據(jù)支架最小高度確定，薄煤層支架取Y0=150～250mm.
2.3 支架最大和最小高度時(shí)掩護(hù)梁與水平夾角Amax和Amin。一般掩護(hù)式支架取Amax≤52°~62°。
2.4 掩護(hù)梁與后連桿長度比的確定：對(duì)兩柱掩護(hù)式支架一般為0.9～1.2，對(duì)四柱支撐掩護(hù)式支架一般為1.2～1.8。掩護(hù)梁與前后連桿鉸點(diǎn)間的距離可根據(jù)支架高度及連桿銷子直徑確定，一般取300～500mm，前后連桿間夾角越大，連桿力越小。
2.5 分析可知，為使支架受力合理和工作可靠，在設(shè)計(jì)四連機(jī)構(gòu)時(shí)曲線運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)盡量使支架的工作段要取曲線向前突的一段，所以當(dāng)掩護(hù)梁和后連桿長度已知后，在設(shè)計(jì)時(shí)只要把掩護(hù)梁和后連桿簡化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，進(jìn)行作圖就可以了。
3 、四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計(jì)法
目標(biāo)函數(shù)的確定：支架在某一同高度時(shí)的θ角，恰好是頂梁前端點(diǎn)的雙紐線軌跡上的切線與頂梁垂線間的夾角。根據(jù)附加力對(duì)液壓支架受力影響的分析，為減少附加力，必須使tgθ有較小值。所以，只要令支架由高到低變化時(shí)，頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡近似成直線為目標(biāo)函數(shù)，這兩項(xiàng)要求都能滿足。
3.1 支架在最高位置時(shí)：p1=52°-62°，即0.91-1.08弧度;Q1=75°-85°，即：1.31-1.48弧度。
3.2 后連桿與掩護(hù)梁的比值，掩護(hù)式支架為I=0.45-0.61;支撐掩護(hù)式支架為I=0.61-0.82。
3.3 前、后連桿上鉸點(diǎn)之距與掩護(hù)梁的比值為I1=0.22-0.3。
3.4 e’點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙曲線，支架由高到低雙紐線運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度e<70mm最好在30mm以下。
3.5 支架在最高位置時(shí)的tgθ值應(yīng)小于0.35，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)掩護(hù)式支架最好小于0.16，對(duì)于支撐掩護(hù)式支架最好小于0.2。
四桿機(jī)構(gòu)各部尺寸的計(jì)算
四桿機(jī)構(gòu)各部參數(shù)如圖2所示，圖中的H1為支架在最高位置時(shí)的計(jì)算高度。令o2a=A;ab=B;bc=C;cd=D;o2d=E;ae′=G;e′b=F;JQ1=S;je′=L;=I=I;tgθ==U.
3.5.1 后連桿與掩護(hù)梁長度的確定
當(dāng)支架在最高位置時(shí)的H1值確定后，掩護(hù)梁長度G為：G=
后連桿長度A=IG 前后連桿上鉸點(diǎn)之距為：B=I1G
前連桿上鉸點(diǎn)至掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)之距為:F=G-B
從以上各式，可求出多組后連桿和掩護(hù)梁的尺寸。為了簡化計(jì)算，對(duì)各變量規(guī)定相應(yīng)的步長如下：P1的步長為0.34弧度;Q1的步讓為0.34弧度，I1的步長為0.02;I的步長;掩護(hù)式支架為0.032;支撐掩護(hù)式支架為0.042。
上述四個(gè)變量各向前邁出五步，經(jīng)排列組合使得到625組A、B、F、G的參數(shù)值。
3.5.2 后連桿下餃點(diǎn)至坐標(biāo)原點(diǎn)之距為E1，如上圖所示。E1=FcosP1-AcosQ1
3.5.3 前連桿長度及角度的確定
當(dāng)支架高度變化時(shí)，掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)e’的運(yùn)動(dòng)軌跡為近似雙紐線，為使雙紐線最大寬度和θ角盡量小，可把e’點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡視為理想直線，當(dāng)然實(shí)際并非如此。但是，我們可以做到當(dāng)支架高度變化時(shí)，有三點(diǎn)在這條直線上.根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)e’點(diǎn)沿理想垂線由最高向最低運(yùn)動(dòng)時(shí)，后連汗與掩護(hù)梁的夾角由大于90度到小于90度變化，在夾角變化過程中，一定有一位置使后連桿與掩護(hù)粱處于垂直狀態(tài)，以這一特殊狀態(tài)為所求的中間某一位置，來確定直線上中間某一位置的點(diǎn)。
①b1點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)支架在最高位置是的計(jì)算高度為H1，此時(shí)b1點(diǎn)的坐標(biāo)為：
x1=Fcos(P1) y1=H1-Fsin(P1)
�、赽2點(diǎn)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：
x2=Fcos(P2) y2=Bsin(P2)+Asin(Q2)
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°，為計(jì)算方便，令Q2=25°，即0.436弧度。根據(jù)幾何關(guān)系P2為:P2=arctg
�、踒3點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)支架的掩護(hù)梁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：x3=Fcos(P3) y3=Bsin(P3)+Asin(Q3)
式中P3由下式進(jìn)行計(jì)算。
P3=-(arctg+arctg
Q3=-P3
�、躢點(diǎn)坐標(biāo)。根據(jù)圖2-6所示，支架在三個(gè)位置時(shí)四桿機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系確定后，c點(diǎn)就是過b1、b2、b3這三點(diǎn)的圓弧的圓心。所以，cb1=cb2=cb3為前連桿的長度。因此，可以用圓的方程求得前連桿的長度。即：C=
上式中x1、yc為c點(diǎn)的坐標(biāo)，可以按下列方程聯(lián)立求得:
聯(lián)立上式可得：
xc= yc=
則由以上各式可得前連桿的長度為：
C=
3.5.4 前連桿下鉸點(diǎn)的高度和前連桿下鉸點(diǎn)在底座上的投影距離
當(dāng)前連桿c點(diǎn)的坐標(biāo)確定后，D和 E的長度為：
D=yc E=E1-xc
四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)選
按上述方法可以求出625組四桿機(jī)構(gòu)尺寸，并非所有值都可以用，故要優(yōu)選。約束條件是根據(jù)tgθ值的要求和支架的結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系，對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有支架的調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出來的。約束條件如下：
�、偾昂筮B桿的比值范圍。根據(jù)現(xiàn)有支架調(diào)查統(tǒng)計(jì)，前后連桿的比值C/A=0.9-1.2范圍。
②前連桿的高度不宜過大，一般應(yīng)使D<。
③E的長度，一般應(yīng)使E<。
④對(duì)掩護(hù)式支架應(yīng)使tgθ<0.16，對(duì)支撐掩護(hù)式支架u<0.2，|tgθ|=||=U。
�、菟臈U機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序編寫：根據(jù)以上約束條件和計(jì)算式子，寫出程序流程圖3如下所示：
說明：由于采用迭代法進(jìn)行搜索，計(jì)算方案的多少取決于各優(yōu)化參數(shù)步長的選取，步長越短，可能的方案越多，反之越少，甚至可能漏掉了一些比較好的結(jié)果。但步長過短，計(jì)算量就會(huì)變大，帶來復(fù)雜的缺點(diǎn)。本次計(jì)算以一種經(jīng)濟(jì)型掩護(hù)式液壓支架即ZY2000/12/24型支架四連桿設(shè)計(jì)為例，代入設(shè)計(jì)參數(shù)。使用的步長可使有625組數(shù)選擇，即有625個(gè)方案可選。但是首次運(yùn)行無結(jié)果。后決定在不影響支架工作性能的條件下，對(duì)其中的一個(gè)參數(shù)P1稍微擴(kuò)大一下范圍(0.9-1.2變成0.85-1.2)，運(yùn)行出一組數(shù)據(jù)，具體運(yùn)行計(jì)算結(jié)果如下：
p1=0.884000，q1=1.378000，a=1.034782，b=0.393862
c=0.991655，d=0.452725，e=0.531994，f=1.396419，c1=1.064921
s=0.217931，l=1.362868，g=1.790280，i=0.578000，i1=0.220000
o=0.958323，u=0.159906，d=0.452725，e=0.531994
�、揠娝惴斄呵岸它c(diǎn)雙鈕線軌跡繪制。根據(jù)上面四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果用電算法優(yōu)化參數(shù)Q4(Q4為支架后連桿與水平面之間的夾角，支架高低變化時(shí)，Q4=85度～25度，即1.48弧度至0.436弧度。)并計(jì)算出多組x，y 值。(x值的變化相當(dāng)于頂梁前端點(diǎn)與煤壁之距的變化。如果使Q4角按間隔0.087弧度變化，可以計(jì)算30組x、y值。故頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡最大寬度為emax=xmax-xmin。編程不在這里列出。運(yùn)行結(jié)果如下：Ex=0.032。運(yùn)行結(jié)果使頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡最大寬度為emax=xmax-xmin=0.032m=32mm，這說明四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果是可用的。根據(jù)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)程序編程運(yùn)算，結(jié)果限于篇幅所限不在這里給出。
參考文獻(xiàn)：
[1]丁紹南.編著.《采煤工作面液壓支架設(shè)計(jì)》世界圖書出版公司出版.1992.
[2]張家鑒.主編.《液壓支架》煤炭工業(yè)出版社.1985.
【掩護(hù)式液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)】相關(guān)文章：
空調(diào)離心風(fēng)機(jī)電機(jī)支架優(yōu)化設(shè)計(jì)10-05
大采高液壓支架快速組裝工藝分析論文10-09
身體的支架教案設(shè)計(jì)10-07
嵌入式程序的優(yōu)化10-07
專用銑床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文10-09
橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)10-05
液壓油缸的設(shè)計(jì)-機(jī)械類論文09-30