超静定薄煤层液压支架设计（全套含CAD图纸）
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第 1 页 外文原文 ： 第 2 页 第 3 页 第 4 页 第 5 页 中文译 文 ： 大倾角液压支架四连杆机构的设计 摘要： 四连杆机构是液压支架起保护作用的重要组件之一。在大倾角液压支架的设计中，第一次用在了参数化模型、仿真和最优化的求解过程中，然后根据三维尺寸模型，通过 顶梁的前向扭转载荷进行有限元分析。用这种方法得到的结果验证了四连杆机构设计的可行性，而且非常好得满足了要求。这种方法提高了液压支架的设计效率，缩短了设计周期。 关键词 ： 液压支架；四连杆机构；优化设计； 限元分析 1 简介 四 连杆机构是液压支架起保护作用的重要组件之一。它主要有两方面的功能：第一，为了在立柱伸缩过程中，能保持顶梁垂直的移动，因此需要在顶梁和煤壁之间保持稳定的距离。四连杆机构被视为最能满足这种要求的。第二，它保证了支架能够承受一定的水平载荷。 在设计大倾角液压支架的过程中，四连杆机构的优化设计是一项十分重要的任务。它的结构尺寸将直接影响到支架的性能状况。在传统的设计过程中，经常使用的是 是结果经常不能满足设计的要求，也不能获得最优解。现在， 越来越广泛得应用到机械动态设计过程中。因此，本文 就是运用 四连杆机构进行建模和仿真，进而获得最优解。为了验证四连杆机构设计的可行性，用 行了有限元分析。 2 四连杆机构尺寸计算 图 1 是支架在最大支撑高度的状态下，对四连杆机构尺寸作出的假设： 2 2 11 1 1 1; ; ; ; ; ; ; ; ; ; t a n .o a A a b B c b C c d D o d E a e Se b F J o S J e L I I L 图 1：四连杆机构的参数 连杆和掩护梁尺寸的计算 如图 2，如果 定了，可得到掩护梁的尺寸： 111s i n ( ) s i n ( ) Q (1) 第 6 页 后连杆尺寸为 ： A I G (2) 前后连杆绞点之间的距离为： 1B I G (3) 前连杆最高点和掩护梁最高点之间的距离为： F G B (4) 后连杆底部和坐标原点之间的距 离是 图二所示。 图 2：四连杆机构的几何关系 连杆长度和尺寸的计算 1） 坐标 当支架处于最高位置 ， 坐标为： 11c o s ( )x F P(5) 1 1 1s i n ( )y H F P (6) 2） 坐标 当支架处于最低位置 ， 坐标为： 22c o s ( )x F P(7) 222s i n ( ) s i n ( )y B P A Q (8) 根据几何学要求，当支架处在最低位置时，必须保证 25 30，这里假设 5， 2212212 c o s ( ) o s ( )G E A Q (9) 3） 坐标 当后连杆和掩护梁处于垂直位置时， 坐标为： 第 7 页 33c o s ( )x F P(10) 333s i n ( ) s i n ( )y B P A Q (11) 13 2 2 21( a r c t a n a r c t a n )2 G A E (12) 332 (13) 4） c 点坐标 因为前连杆长度不会发生变化，所以 1 2 3c b c b c b，故而通过圆的方程可求出 c 点坐标： 2 2 2 2 2 2 2 23 1 3 1 2 3 2 3 2 3 3 13 1 2 3 3 1 2 3( ) ( ) ( ) ( )2 ( ) ( ) ( ) ( ) cx x y y y y x x y y y x y y y y x x (14) 2 2 2 2 2 2 2 22 3 2 3 3 1 3 1 3 1 2 33 1 2 3 3 1 2 3( ) ( ) ( ) ( )2 ( ) ( ) ( ) ( ) cx x y y x x x x y y x x y y y y x x (15)前连杆的长度和角度便可以通过 c 点坐标来获得。 D（ E（ 度的计算 当得到 c 点坐标后， D、 E 长度为： 16) 1 x(17) 把顶梁端点的运动轨迹为斜线作为目标函数，通过程序的到的结果如下所示： 1 2 1 2 3 四连杆机构尺寸参数的优化 通过图 1 对尺寸的定义和程序计算得到的结果，便可以通过 四连杆机构进行建模。通过分析仿真结果可知，计算机程序得到的尺寸参数并不是最佳结果，所以应当通过参数化建模的方法来获得最佳结果，更好的满足设计要求。 在参数化建模的过程中，每一个绞点都被认为是变量，通过对变量结果的分析来来得到设计结果，如表 1 所示： 第 8 页 表 1. 每个变量的设计结果 设计变量 设计点 坐标 初始值（ 灵敏度 （ 优 化的意义 （ 65 78 024 0 0 表 1 中可以获得设计变量的变化范围和灵敏度。 以为调查报告提供各种变化的情况，这其中就包括了灵敏度的变化。如表 1， 灵敏度最大，说明这四个量对优化结果 的影响最大。 四个敏感点确定以后，通过对设计变量变化曲线的比较，来取得最佳的设计结果。通过运行最优化程序，四个设计变量得到了最优化。最后，通过分析和计算得到四连杆机构的最佳模型尺寸。 1 2 1 990A 260B 1125C 265D 478E 1155G 借助 件，根据计算得到的尺寸对四连杆机构进行建模，然后通过仿真轨迹对绞点进行分析，如图 3 所示。 图 分析可知，优化后的结果充分的满足了液压支架的设计要求。 4 液压支架的有限元分析 根据计算得到的四连杆结构尺寸，装配上液压支架的其他部件，便可得到液压支架的三维模型，如图 4 所示。利用 件，可得到 液压支架在正向扭转载荷下的有限元分析模型。 第 9 页 图 4. 液压支架的三维模型 限元分析结果 通过运行有限元程序， 结果以图形的形式显示出来。结果的图示可以根据需要进行修改。例如，应力、应变和应力的动态变化，总体的局部图也可以获得，如图 5 所示。 (a) 前扭转荷载位移 第 10 页 (b) 前扭转荷载应力 (c) 前扭转荷载应变 第 11 页 (d) 前扭负载局部应力 根据计算结果，液压之架的最大变形量是 效前梁的压力为 效应变为 有绞点的情况可从表 2 中看到。 表 柱销 剪切应力（ N） 轴向力（ N） 动量 (扭矩 (掩护梁与顶梁左铰接柱销 40484 0426 护梁与顶梁右铰接柱销 85616 连杆与掩护梁左铰接柱销 5 542 连杆与掩护梁右铰接柱销 5 连杆与掩护 铰接柱销 5 连杆与底座铰接柱销 5 连杆与底座左铰接柱销 5 连杆与底座右铰接柱销 5 据分析 最大的应力应变大概围绕着顶梁，特别是焊接接缝处。立柱受到的载荷也是不一样的。前后立柱靠近载荷的一侧受到的应力大于另外一侧。在载荷的作用下，顶梁前面受到的 影响十分明显。顶梁后面受到了一致的影响。如果载荷太大的话，整个支架会有一种扭转的趋势。从表二中可以看出，掩护梁和顶梁的左右铰接点受到的阻力是不一样的。前连杆和掩护梁、后连杆和掩护梁、后连杆和底座、前连杆和底座受到的阻力是比较大的。 从强度分析可以看出，最大应力的分布是部分区域的。因此，高强度的钢铁经常用到大应力的区域来提高机械强度。这种液压支架完全满足实际的使用标准，也符合大倾角的使用条件。 5 结语
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