基于ADAMS和SolidWorks的薄煤層液壓支架的運動分析

張建中　張立群　董輝　蘇燕　丁姝艷

摘 要：本文根據薄煤層液壓支架的特點，用ADAMS對液壓支架的四連桿機構進行了運動仿真及分析；應用SolidWorks軟件對該機構的進行了運動分析，驗證了薄煤層液壓支架的四連桿機構的合理性。

關鍵詞：薄煤層液壓支架；四連桿機構；仿真分析

Abstract：In this paper，thefour-bar linkage of hydraulic support is analyzed in the simulation on ADAMS which is based on the characteristics of thin coal seam hydraulic support. Thefour-bar linkage of hydraulic support is analyzed in the simulation on ADAMS.The movement of four-bar linkage is analyzed in SolidWorks， and its rationality is verified.

Key words：thin seam hydraulic support；four-bar linkage；simulation analysis

隨著煤礦綜采設備及其相關技術的飛速發展和為適應經濟發展速度而加快煤礦開采進程，加大了對厚煤層和中厚煤層的開采力度使之有采盡的危險，進而顯示出開采薄煤層的重要性。

薄煤層液壓支架是開采薄煤層煤炭資源的重要支護設備，對其進行開發有助于薄煤層落后開采技術的換代升級且符合薄煤層開采機械化的要求。

由于薄煤層液壓支架在煤礦開采的過程中需要有很大的伸縮比，因此，設計合理的四連桿機構將成為關鍵。

1 四連桿機構的構成

薄煤層液壓支架四連桿機構的組成部分有前連桿、后連桿、掩護梁和底座。其位置關系是：

1）掩護梁的上端是通過鉸鏈與支架的頂梁連接的，其下端分別與前連桿和后連桿連接；

2）底座的后端是與前連桿和后連桿成鉸鏈連接的，其前端是與支架的推移千斤頂連接得。

研究發現四連桿機構的運動會嚴重影響薄煤層液壓支架頂梁前端點的運動軌跡，故通過研究分析四連桿運動需要盡可能的減小液壓支架的梁端距，從而能使頂梁端的支護力增大。

在掩護式薄煤層液壓支架的結構中四連桿機構是最重要的機構之一，它的主要作用是在液壓支架向下運動的過程中使支架頂梁前端點的運動軌跡呈現近似伯努利雙紐線狀的同時能夠縮小梁端距的變化范圍；能夠增大液壓支架所能承受的橫向力與扭矩。

2 應用ADAMS分析

2.1 在ADAMS中建立模型

通過采用多桿件代替四連桿機構的掩護梁、前連桿、后連桿和底座建立其簡化模型，同時，各構件間的間隙忽略不計，在不影響仿真結果的情況下，將掩護梁、前連桿、后連桿和底座設置在同一平面內。按表1的坐標值建立平面內各桿件的坐標點建立四連桿簡化模型，簡化模型如圖1所示。

2.2 頂梁前端點軌跡的仿真分析

對該簡化模型添加運動副及約束，由于在薄煤層液壓支架運動的過程中，支架的頂梁和底座之間的關系是平行的，所以支架的頂梁與掩護梁上端發生鉸接的點的運動軌跡與頂梁前端點的是相同的，故頂梁的前端點可以用兩者鉸接的上鉸接點來代替。

假設該液壓支架可以支撐的最大高度是850mm，最小高度為450mm，該簡化模型的運動高度為支撐高度減掉上鉸接點到頂面的距離和下鉸接點（后連桿與底座相鉸接的點）到底板的距離，取值范圍是700～250mm。在ADAMS軟件中，設置仿真起始位置高度為700mm，單擊仿真工具按鈕后，該模型從上往下運動，上鉸接點運動軌跡曲線如圖2所示。

由圖2可知，當四連桿機構的簡化模型從最高位置向最低位置運動時，上鉸接點的運動軌跡為向前凸的一段，說明頂梁是向煤壁的方向移動的。

此時，頂板受到來自煤壁的壓力，立柱會受壓向下運動，為防止巖石向后運動頂梁將向前運動，并且會使得頂梁上的摩擦力方向指向煤層的采空區，則支架會有順時針轉動的趨勢，在增加頂梁前端支護力的同時減小底座前端比壓，故該四連桿機構的運動是符合設計要求的。

通過觀察圖中橫坐標，可以得到：液壓支架從最高位置向最低位置運動時，梁端發生水平擺動的范圍為17mm，是小于設計要求的。所以設計的四連桿機構是合理的。

3應用SolidWorks分析

3.1 在SolidWorks中建立模型

薄煤層液壓支架一般是由鋼板焊接而成的，本液壓支架的材料主要以Q550為主，在SolidWorks三維軟件中建立的虛擬樣機如圖3所示。

3.2 應用SolidWorks Motion做運動分析

在液壓支架的實體模型上添加驅動力，其運動副會在軟件中自動生成，設置仿真參數開始運動分析，得到的頂梁前端點運動軌跡曲線圖如圖4所示。

由上圖可知，該支架從最高位置向最低位置運動時，其頂梁前端點的橫坐標是在20mm的范圍內變化的，和上文應用ADAMS軟件仿真得到的軌跡形狀類似，在可接受范圍內。會產生如此差異的原因是支架在裝配過程中存在誤差進而影響運動過程和坐標原點在選取上存在不同。

4 結語

通過對薄煤層液壓支架的四連桿機構應用ADAMS軟件進行仿真分析和應用SolidWorks軟件進行運動分析，驗證了所設計的四連桿機構結構合理，效果較好，為薄煤層液壓支架進行更加深入的設計提供了有力的依據。

同時證明了用軟件分析薄煤層液壓支架運動的方法是行得通的，此方法將會大大縮短設計周期和節約設計成本，非常適合在生產薄煤層液壓支架的企業中進行該設計方法的推廣。

參考文獻：

[1] 岳永強，曹連民，劉海峰. 基于SolidWorks的薄煤層液壓支架設計[J].煤礦機械，2007（11）：20-22.

[2] 韓文東.基于ProE和Adams的薄煤層液壓支架建模與仿真[J].工業技術，2010（5）：143-144.

[3] 田大豐，張強，楊文懋.基于虛擬樣機的薄煤層液壓支架的動力學分析與仿真[J].礦山機械，2010（11）：15-17.

[4] 樊學能，蔡永倫，鄒書江，程耀.ZY3200/08/19型薄煤層液壓支架的設計[J].煤礦機電，2015（4）：85-87.

[5] 李秋生，張曉靜，王亮亮，高添，孫祖文.薄煤層液壓支架的分析與研究[J].礦山機械，2013（11）：5-7.

作者簡介：

張建中（1960-），男，漢族，山東曹縣人，現任山東科技大學機械工程系黨委書記，博士，教授，碩士生導師，主要從事機械設計理論、機電一體化以及礦山機械方面的研究工作。