礦用液壓支架四連桿結構的優化設計

郝智江

（同煤集團機電裝備制造有限公司中央機廠， 山西 大同 037001）

引言

對于四連桿的液壓支架來講，液壓支架的受載能力很大程度上由四連桿結構及其設計參數而定，液壓支架的橫向運動幅度越小為宜。目前通?；趩蝹€目標的優化設計方法及數值迭代求解對四連桿的結構參數進行設計，方法雖然經濟性好且易于操作實現，但對于井下的主要承載設備來講顯得精度不足。為解決這個問題，通過參數化的理論計算方法對液壓支架四連桿結構進行了相關參數范圍的確定及具體結構參數的計算，通過仿真方法及專家評價法，確定了所計算的液壓支架四連桿機構具有更高的結構性能，能大大提高設備自身的安全性及使用壽命，這為后期開展四連桿結構的具體方案設計提供了重要理論支撐。

1 四連桿機構位置及參數的確定

液壓支架頂梁在工作過程中呈現的運動軌跡，由液壓支架的結構和傳動方式所決定。如本文討論的四連桿機構，結構簡圖如圖1所示。圖示掩護梁與頂梁的連接點M的運動軌跡，就決定了頂梁的升降動作。根據已有的研究表明，M點的運動軌跡為類似于雙曲線的S形軌跡。依靠對四連桿參數的合理選取，控制M點在平面內的運動方式和速度，即可減少液壓支架零部件如各種連桿的受力。

根據液壓支架四連桿機構的工作特點，在其設計過程中應遵循以下幾何運動特性：

1）當液壓支架頂梁由上至下運動時，為了確保液壓支架頂梁、掩護梁兩端間距恒定，頂梁端點的最大運動范圍為ΔXM＜80 mm。

2）確定支架高度尺寸后，再根據頂梁、底座與支架高度尺寸間的相互匹配關系，確定頂梁與底座長度的尺寸，如圖1所示將掩護梁端點與頂梁之間的距離設為h，根據現有液壓支架的設計準則一般取h=160～210 mm，對于大型支架取h=220～270 mm。液壓支架后連桿端點與底座安裝面之間的距離為h1，h1的確定根據煤層情況來確定，一般來講煤層薄時，h1=160～260 mm；煤層厚度中等時，h1=260～460 mm；煤層較厚時采用重型支架，h1=460～610 mm。

圖1 液壓支架結構簡圖

3）液壓支架掩護梁與水平面夾角θ的限制。特別是當液壓支架由下至上，高度從最小達到最高時，θ的最大值應在57°～61°的區間，θ的最小值應在13°～19°的區間。

4）掩護梁與后連桿長度應呈特定的比例關系。對于兩柱掩護式液壓支架來講，掩護梁長度與后連桿長度之比應在1.3～2.2之間；對于四柱掩護式液壓支架來講掩護梁長度與后連桿長度之比應在1.4～1.9之間；依照支架高度h和連桿兩端的安裝直徑來確定掩護梁與前后連桿連接點的位置。根據現有研究表明，前后連桿之間的夾角越大，則前后連桿所承受載荷越小，通常應將前后連接點的距離控制在400～600 mm之間。

5）為了保證液壓支架四連桿機構的穩定性及精確性，四連桿機構必須滿足工作過程中頂梁運動最前端的曲線復合運動軌跡。

由此，通過以上幾點內容，可完成對液壓支架四連桿機構的位置及關鍵參數范圍，為下文開展四連桿機構的具體參數計算提供設計支撐。

2 液壓支架四連桿機構參數的設計計算

實例計算的流程為：選取某型液壓支架作為研究對象，以頂梁端點橫向位移最小為目標，采用遺傳算法進行計算，得到優化設計參數。并在ADAMS依據所得參數進行仿真并判斷參數設計是否合理。

以某型放頂煤液壓支架架型為例，其四連桿機構示意圖如圖2所示。其約束條件為：

圖2 四連桿機構運動示意圖

1）液壓支架在由下至上的運動過程中最大高度Hmax＜ymax+h+h1，最小高度Hmin＞ymin+h+h1。其中y代表圖1中M點與D點之間的距離。

2）角度限制。如圖1與圖2，θmin＜θ＜θmax，αmin＜α＜αmax，ηmin＜（β-ω）＜ηmax，已知h1=310 mm，h=260 mm，Hmin=2 100 mm，Hmax=4 100 mm，最大、最小采高分別為2 100 mm、3 600 mm。根據已有數據和遺傳算法的程序設計，以頂梁端點橫向位移最小為優化目標，得到參數的優化設計結果，結果如表1所示。

計算得出頂梁端點橫向位移為3 mm。為明確優化結果參數是否滿足設計需求，在ADAMAS中建模并運動學仿真計算，篇幅有限不再詳述仿真過程，其結果表明設計參數滿足要求，頂梁端點橫向運動位移為5 mm，計算誤差僅為2 mm。誤差結果極好，判斷標準為在實際情況下50 mm內的誤差工程上完全可以接受[3-5]。

同時，將此設計的液壓支架四連桿機構參數與對應的規范相比，能完成滿足規范要求，且綜合指標值相對更高，可大大提高液壓支架四連桿機構的結構強度及作業安全，為下一步開展四連桿機構的具體三維方案設計提供了重要理論支撐。

表1 優化設計參數結果

3 結語

礦用液壓支架具有較強的結構支撐性能，是提高煤礦開采作業安全性的關鍵，而四連桿機構的合理、準確性設計則相對重要。與液壓支架中其他部件不同，有必要采用理論計算、三維設計、仿真驗證、樣機驗證等多種方法相結合的設計思路來開展四連桿機構的結構設計，而理論計算是所有方法中的基礎，對后期進行科學、有根據、最經濟的四連桿機構樣機設計打下重要基礎。