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中文翻譯 基于ADAMS仿真軟件的液壓支架四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 摘要：在設(shè)計一個大傾角的工作面液壓支架時，提出了一種四桿連機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點,并使用ADAMS軟件應(yīng)用于四連桿機構(gòu)的建模與仿真。為了達到最佳效果,實現(xiàn)參數(shù)化的建模和優(yōu)化,設(shè)計結(jié)果要滿足實際要求的才好。通過這種虛擬設(shè)計的方法，可以降低誤差及其設(shè)計效率能得到有效的改善。 關(guān)鍵詞：液壓支架；四連桿機構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；ADAMS仿真軟件 1.簡介 四連桿機構(gòu)是掩護式液壓支架或支撐掩護式液壓支架至關(guān)重要的一個組成部分。它的功能有兩個方面: 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， 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。對于頂板的控制來說，這是被廣泛地認為非常合乎需要的一個特點。第二，液壓支架要能承擔(dān)更大的水平方向的載荷。 在設(shè)計一個大斜傾角度的液壓支架時，四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是一個重要工作。四連桿機構(gòu)的的尺寸直接影響液壓支架的性能和地位。在傳統(tǒng)的四連桿機構(gòu)設(shè)計中，BASIC 程序被用于去計算設(shè)計，但是其結(jié)果經(jīng)常不能滿足設(shè)計要求，并且不能獲得這個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械力學(xué)領(lǐng)域方面使用。因此，為了得到一個最佳的解決問題的設(shè)計辦法，本文利用ADAMS軟件建模和模擬四連桿機構(gòu)的之間的關(guān)系。 2.四連桿機構(gòu)的尺寸計算 2.1. 四連桿機構(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，其雙紐線運動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 四連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征 (2)如圖1四連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征所示，P角為頂梁與掩護梁之間的夾角，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，P≤52°~62°，Q ≤ 75°~85°。當(dāng)支架在最低位置時，tanP>W，根據(jù)摩擦學(xué)理論，它能使巖石落下地并且用掩護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，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1四連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征所示，θ角是水平線與從e1點到瞬時中心O的直線之間的夾角，e1點是掩護梁與頂梁連接的鉸點。在支架的設(shè)計中，θ角應(yīng)該滿足的條件：tanθ ≤0.35，其直接影響支護的增量力。 2.2.四連桿機構(gòu)的尺寸計算 ；；；；；； ；；；；； 圖2 四連桿機構(gòu)參數(shù) 1) 后連桿與掩護梁的長度計算 如圖2所示,如果H1被確定，掩護梁的長度： （1） 后連桿的長度 （2） 前、后連桿上鉸點之距為： （3） 前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距為： F =G—B （4） 如圖3所示，在后連桿和坐標(biāo)原點的在底部連接點之間的距離是E1。 圖3 四連桿機構(gòu)幾何關(guān)系 2） 前連桿長度及角度的確定方法： b1的坐標(biāo) 當(dāng)支架在最高位置時的計算高度為H1，此時b1點的坐標(biāo)為： ( 5 ) ( 6 ) b2的坐標(biāo) 支架在最低位置時的計算高度為H2，此時b2點的坐標(biāo)為： （7） （8） 根據(jù)四連桿機構(gòu)幾何特征要求，支架降到最低位置時，Q2≥25°~30°。為了計算方便，令Q2=25°。 （9） b3點坐標(biāo) 當(dāng)支架的掩護粱與后連桿成垂直位置時，根據(jù)幾何關(guān)系b3點的坐標(biāo)為: （10） （11） （12） （13） c點坐標(biāo) 為前連桿的長度，因此，可以用圓的方程求得前連桿的長度。 （14） c點坐標(biāo)是: （15） （16） c點坐標(biāo)求出后，前連桿長度和角度就可以確定了。 3) 前連桿下鉸點的高度D和前、后連桿下鉸點在底座上的投影距離E 當(dāng)前連桿c點坐標(biāo)確定后，D和E的長度為： D=yc （17） E=E1—xc (18 ) 對于大傾角的液壓支架來說，當(dāng)傾斜角度增大時，液壓支架的重力線，或者對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)計的大傾角的液壓支架，它的最大支護高度為2600mm，支架的支護高度應(yīng)滿足在大傾角煤壁條件下的支架要求，支架的計算高度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。 ，，， ，，， ，，， ，. 3.四連桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)優(yōu)化 3.1.四連桿機構(gòu)的建模和雙紐線的模擬 ADAMS軟件，即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析，該軟件是MDI公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。 通過程序可以計算和繪出如圖2和實體尺寸，通過ADAMS軟件可以建立四連桿機構(gòu)的模型。選擇中心點O為基準(zhǔn)， 與x軸一致， 與y軸一致，如圖4所示。 圖4 四連桿機構(gòu)的簡單模型 模型建立以后，使用限制條件(關(guān)節(jié))工具條加進連接點旋轉(zhuǎn)對，和旋轉(zhuǎn)工具 線加進連接點旋轉(zhuǎn)對形成輪狀的對和研磨連結(jié)點。最后既定的模擬條件，通過ADAMS/PostProcesser軟件跟蹤的e1點，它類似于雙紐線軌跡如圖5所示。 圖5 e1點的雙紐線軌跡 由于上述分析，這條雙紐曲線軌跡不能滿足設(shè)計要求。它應(yīng)該考慮到θ角度對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動軌跡。 3.2.四連桿機構(gòu)的建模和最優(yōu)化的參數(shù)確定 因為考慮到計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)計連桿尺寸是由建模中的參數(shù)所獲得，所以能滿足設(shè)計要求的最佳的結(jié)果。 在確定參數(shù)的建模期間，每個連接點被調(diào)整成為變量，并且每個變量的設(shè)計結(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)計結(jié)果 設(shè)計變量 設(shè)計點 坐標(biāo) 原值 （mm） 精度 （mm） 優(yōu)化結(jié)果（mm） 1 1點 Y 367.3 4.4 265 2 2點 X 421.91 -2.3 478 3 3點 X 981.96 0.46 1006.5 4 4點 Y 814.88 -5.9 835.25 5 5點 X 756.22 -3.5 829.40 6 6點 Y 1001.99 0.86 1024 7 7點 X -52.36 0.86 12.10 8 8點 X 0 0.44 10.2 9 9點 Y 0 0.375 -9.58 觀察設(shè)計變量在設(shè)計中的影響和范圍。通過MSC.ADAMS/View軟件提供各種圖的解析作為研究報告，這包括設(shè)計變量的準(zhǔn)確性。如上表格1所示的設(shè)計結(jié)果那樣，點1，點2，點4，點6的靈敏度較大。這暗示著這4個變量對最優(yōu)的結(jié)果影響也較大。設(shè)置4個準(zhǔn)確性更加大的設(shè)計點， 采用ADAMS/PostProcesser軟件一起改變每個設(shè)計點的曲線，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，四個設(shè)計點被優(yōu)選出來得到最好的結(jié)果。最終四連桿機構(gòu)的最優(yōu)的實體尺寸通過分析和計算得到。 ，，， ，，， ，，， ，。 通過ADAMS軟件，根據(jù)計算的四連桿尺寸的模型，然后通過軌跡模擬分析各連接點，如下圖6中所示。 圖6較完善的軌跡曲線 通過分析四連桿機構(gòu)的尺寸優(yōu)化的結(jié)果完全滿足液壓支架的設(shè)計要求。 4. 結(jié)論 使用先進的ADAMS軟件不僅取得四連桿機構(gòu)模型的確定參數(shù)，運動軌跡模擬和最優(yōu)化的大傾斜角的工作面液壓支架的設(shè)計的參數(shù)，而且分析有關(guān)組成部分的運動狀態(tài)。盡可能完善液壓支架的優(yōu)化設(shè)計，完全滿足實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構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計的可行性。 致謝 感謝中國的第十一個五年計劃里國家關(guān)鍵技術(shù)和計劃的工程給予這篇文章的支持。 參考文獻 [1] 毛耀華著，液壓支架的四連桿機構(gòu)計算機輔助設(shè)計，煤炭工業(yè)出版社，第06卷，2007年，第51-54頁。 [2]戴維斯，教長(猶他州大學(xué)) ,漢森，克雷格，機械工程師，基于ADAMS軟件的風(fēng)輪機建模的前景。 [3]王國標(biāo)，高榮，液壓支架的雙紐線運動學(xué)分析與優(yōu)化方法， 遼寧技術(shù)大學(xué)，第3卷的雜志，1991，第49-53頁 . [4]韓曉鋒，胡鄧高，凡訊等著，液壓支架的四連桿機構(gòu)的三尺寸的模型和動態(tài)的動畫，煤炭工業(yè)出版社， 2006年9月，第67-68頁 。 [5]張安晉，大傾斜液壓支架防護技術(shù)，第25卷，煤炭工業(yè)出版社， 2006年9月，第78-80頁。