（机械设计及理论专业论文）液压支架关键部件力学性能有限元分析.pdf

摘要 介绍了以支架工作高度为自变量的分析方法。通过v b 软件方便的可视化功 能，直观的对设计研发的z y 5 2 0 0 8 1 8 d 型支架进行了运动学分析，得出支架的 运动学参数和运动的轨迹图。通过液压支架的夕 载特征分析，模拟支架最危险承 载情况对支架进行空间受力分析。以弹性薄板理论和塑性力学为理论基础，将弹 性力学中多腔室薄壁枵体的理论应用于箱形截面计算中，分析了液压支架主体结 构的强度。运用a n s y s 有限元分析软件对立柱和千斤顶整体结构进行应力计算。 验证了有限元法在设计中的可行性，对今后支架设计提供重要参考。 关键词：液压支架、力学性能，立柱、千斤顶、有限元 a b s t r a c t t h i st e x th a si n t r o d u c e dt h ea n a l y t i c a lm e t h o dt h a tt a k i n gw o r k i n gh e i g h to ft h es u p p o r ta s i n d e p e n d e n tv a r i a b l e t h r o u g ht h ec o n v e n i e n tv i s u a lf u n o t i o no fv bs o f t w a r e ，h a sc a r r i e do n k i n e m a t i c sa n a l y s i si nd e s i g n i n gt h em o d e lz y 5 2 0 0 8 1 8 dh y d r a u l i cs u p p o r tt h a ti sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d ，o b t a i nt h ek i n e m m i c sp a r a m e t e ro ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ta n dt h eo r b i tp i c t u r e so f s p o r t s t h r o u 曲h y d r a u l i cs u p p o r tl o a dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y z es u p p o r tt h em o s td a n g e r o u ss i t u a t i o n t h a tb e a rt h ew e i g h ta n da m l y z et h eh y d r a u l i cs u p p o r tb ys t r e n g t hs p a c eo u t s i d e a c c o r d i n gt o e l a s t i cs h e e tm e t a lt h e o r ya n dp l a s t i c i t ym e c h a n i c s ，e m p l o yt h ep o l eb o d yt h e o r yo ft h i nw a l to f m a n yc h a m b e r si nt h es e c t i o ni sc a l c u l a t e d ，h a v ea n a l y z e dt h ei n t e n s i t yo f t h ea g e 【，ts t r u c t u r eo f t h e h y d r a u l i cs u p p o r t u s ea n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z et h ec o l u m na n dw h o l es t r u c t u r a l a n dg e tt h es t r e s sv a l u e h a v ep r o v e dt h ef e a s i b i l i t yi nt h ed e s i g no f l a wo f f i n i t ed e m e n t ，o f f e r i n g i m p o r t a n tr e f e r e n c et ot h eh y d r a u l i cs u p p o r ti nt h ef u t u r ed e s i g n k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp o w e rs u p p o r t 、m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e 、l e g 、r a m 、f i n i t ee l e m e n t 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行 的研究工作及取得的研究成果：本论文以支架工作高度为自 变量的分析方法。通过v b 软件方便的可视化功能，直观的 对设计研发的z y 5 2 0 0 8 l8 d 型支架进行了运动学分析，得 出支架的运动学参数和运动的轨迹图。运用a n s y s 有限元 分析软件对立柱和千斤顶整体结构进行应力计算。验证了有 限元法在设计中的可行性，对今后支架设计提供重要参考。 尽我所知，到目前为止国内外文献未见报道。 作者：基毯位日期_ 逝；玉3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 引言 液压支架是综合机械化采煤的关键设备，对于液压支架的设计和研制， 国内外都比较重视。液压支架体积庞大、结构复杂、使用环境极为恶劣。其 设计周期长、任务重，而且有些分析计算难于用手工进行。把c a d 技术应 用于液压支架的设计中具有重要意义。自7 0 年代以来，在液压支架c a d 研 究方面，国内外都做了很多工作，取得了较高的经济效益d 】1 2 】。 1 1 液压支架c a d 研究现状f 3 】f 4 1 跚 1 1 1 国外研究概况： 英国的伽利克公司在液压支架设计方面广泛采用了c a d 技术。他们研 制了许多c a d 应用软件，用c a d 系统逆行方案比较、强度计算、计算底 座比压，对局部结构进行有限元分析、计算机绘图等工作，大大提高了支架 的设计质量，缩短了设计周期。 g u l l i c kd a b s o ni n t e r n a t i o n a ll i m i t e d ( 吉利克多布森国际公司，顶板 支架制造商、窿1 9 8 2 年就有p r i m e5 5 0 微型电子计算机和五个工作台。该系 统主要用于计算机绘图。当时该公司就己着手将工作台扩大到八个，将其用 途扩大到辅助实际设计等领域。此外还有六台c o m m o d o r ep e t 微型计算机。 其中三台附有软磁盘装置、高分瓣率显示器等外围设备。他们研制了连杆装 置分析和设计用的软件、计算作用力的程序及有限元计算程序等。 英国道梯公司也拥有c a d 系统，他们用来进行新型液压支架的设计和制 图。国外很多企业在液压支架的设计力面都不同程度的采用c a d 技术。 1 1 2 国内研究概况： 我国在液压支架c a d 研究方面也取得了很大进展。在液压支架的力学模型、 强度计算分析方面进行了大量有益的探索。提出比较成熟的平面力学模型， 对其空闻匀学模型也作了一些探索。在扭转强度计算方面提出了一些可行、 有效的方法，对四连杆机构的c a d 进行了较多的研究而且主要集中在运动 受力和应力分醑以及强度校核j ：，对于绘图和运动模拟作的较少。 煤炭科学院一赢重视液压支架的研究和发展，投入液压支架的科研经费 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 占煤炭系统科研总经费的比例最大。近年来，为了提高支架及支架元部件的 可靠性、技术的先进性和设计的合理性，采用了c a d 技术。 郑州煤矿机械厂也配置了套微型机c a d 系统，在液压支架c a d 研究 方面敛了很多工作。总的来说，目前，液压支架c a d 的研究主要集中在优 化设计、强度校核等计算上，而且取得了一些成果。但是，在计算机绘图及 有限元方面做的工作还很一般。从c a d 的应用情况来看，其研究大大落后 于电子工业和其它机械行业。 1 1 3 课题的提出： 由于液压支架工作环境复杂恶劣，载荷变化很大，些关键零部件在 正常工作中常常出现因偏载而损坏的现象。从综采工作面顶板围岩状态看， 煤层赋存复杂多变，顶底板各自起伏变化和相互倾斜，加上在开采过程中因 工艺要求而人为造成顶底板不平整以及采煤机调高造成的顶底板倾斜的现 象时常存在，使得全工作面不可能都处于理想的刚性四连杆液压支架所要求 的顶底板平行状态，因而支架的工作状态大多处于恶劣的偏载状态，这种工 况一方面使芰架在设计时，要增大所有承扭部件的强度以及支架重量，另一 方面在支架的使用中，加剧了支架承扭部件的疲劳损坏，降低了支架应有的 服务寿命。另外液压支架的立柱、千斤顶是支架的承载部件，担负着液压支 架的重要_ f 壬务，其损坏的现象亦然存在，并且在某些矿井频繁出现，而且伤 及了工作人员，给矿井生产造成严重的影响。由于液压支架的几何结构和载 荷比较复杂，在传统的设计和选型过程中，只是根据经验确定其参数，缺乏 精确的强度计算方法，安全系数往往取得过大，造成整机笨重，增大了投资。 所以，本文利用大型有限元分析软件a n s y s ，以z y 5 2 0 0 8 1 8 d 型掩护式液 压支架为咧，对其关键部件进行有限元分析( 模型建立、网格划分、边界条 件的处理1 ，得出该结构的应力与位移分布图。通过应力与位移分布图，设 计者就能很方便地找到应力危险区以及机械结构中刚度薄弱的部位，为进一 步改善液压支架结构的受力情况、改进结构、减小支架重量提供一定的理论 依据，也为零部件的数值模拟分析研究提供一种方法1 6 jt 7 j 。 为使工作面液压支架安全可靠地工作，就有必要对其关键部件进行静 力学分析，而如何应用有限元实现分析，以改善其可靠性和稳定性，及该方 辽宁丁= 程投术大学硕上学位论文 3 法对今后支架设计的意义，是本文的关键所在。 1 2选题的意义 在产品的开发过程中，设计对产品的成本起着决定性的影响。传统的产 品开发的方法是首先根据给定的功能绘图、试制样机，然后对样机进行实验 和评价。如果对样机的实验结果不满意，再变更设计，重新试制样机，直到 对实验和评价的结果满意为止。三维c a d 软件不仅仅可以创建实体模型， 而且可以利用设计出的三维实体模型进行模拟装配和静态干涉检查、机构分 析和动态干涉检查、动力学分析、强度分析、铸造、各种加工、渲染处理等。 在三维基础上进行的c a e 分析，利用现代计算机强大的数值计算能力所起 到的“虚拟样帆”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物 理样机验证试验”过程，极大地缩短设计周期、减少成本。市场竞争的需要 要求液压支架设计优化性能，提高可靠性、缩短设计制造周期，同时要保持 或提高产品质量。利用有限元这一数值分析方法，对液压支架进行计算机辅 助工程分沂，可以更全面、准确的了解支架备部分的受力及变形情况，j 丁以 有效的解决这些问题1 8 j 1 9 ju “。 1 3 课题的研究内容 ( 1 ) 以支架工作高度为自变量的分析方法。通过v b 软件方便的可视化功 能，直观的对设计研发的z y 5 2 0 0 8 18 d 型支架进行了运动学分析。 ( 2 ) 通过液压支架的外载特征分析，模拟支架最危险承载情况对支架进行 空间受力分析。 ( 3 ) 以弹性薄板理论和塑性力学为理沦基础，将弹性力学中多腔室薄壁杆 体的理论应用于箱形截面计算中，分析液压支架主体结构的强度。 ( 4 ) 运用a n s y s 有限元分析软件对立柱和千斤顶整体结构应力计算。并 与常规力学的解析法结果进行比较分析，验证有限元法在设计中的可行 性，及孩方法对今后支架设计的意义。 辽宁工程技术大学硕： ：学位论文 4 2z y 5 2 0 0 8 1 8 d 液压支架总体设计 图2 一lz y 5 2 0 0 g l8 d 液压支架 。 z y 5 2 0 0 8 1 8 d 型掩护式综采液压支架是根据我国薄煤层的地质条件， 剪针对铁煤集团的具体使用条件和特殊要求，在吸收同类型支架优点的基础 上而设计的。该型支架与运输机、刨煤机、过渡支架及端头支架配套使用， 可实现水乎工作面或倾角小于15 度的倾斜工作面薄煤层的刨煤、支护、移 架和运煤等综合机械化作业，为减轻工人劳动强度，大幅度提高工作面单产， 增加经济放麓，实现安全生产提供了种较为理想的综采设备u ”。 该支架为两拄四连杆掩护式型式。两根立桂支撑顶梁，主要承受顶板的 垂直压力：同时通过掩护粱及前、后连杆与底座各自铰接构成四连杆机构， 来承受支架所受的水平力和侧向力；该支架支撑彘力较大，切顶性能较好， 支架纵磺向稳定性较强。 z y5 2 0 0 8 18 d 型液压支架主要参数合理，结构比较完善，功能较为全 面，纵横向稳定性较强；材料及制造立足国内，拆装、检修较方便；液控元 件除德国d b t 提供部份外其余均择优采用国产定型质量可靠的产品，配件供 应有充分的保汪。本支架的性能参数较为广泛的适应于国内薄煤层的地质条 件，抒扁矿自i 根据具体条件选择使用。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 支架的组成、用途及特点 z y 5 2 0 0 8 l8 d 型液压支架主要由金属结构件、液压系统和防倒、调架 装置三大部分组成。主要金属结构件有：顶梁、掩护粱、底座、前、后连杆， 推杆及侧护板等。液压控制系统除了立柱、各种千斤顶外，还包括各种液压 控制元件( 操纵阀组、安全阀、液控单向阀等) 和液压辅助元件( 管接头件、 胶管等) 。防倒、调架装置包括顶梁、掩护梁的左右侧护板及各自的侧推千 斤项、弹簧套筒等。支架各结构件之间及结构件与液压元件问均通过销轴、 螺栓等连接，管路连接采用快速接头、u 型卡，拆装维护方便0 - j 。 该支架的用途是：支护工作面顶板，掩护刨煤机、输送机的工作空间， 使刨煤视一次刨完工作面高度，并由输送机将刨下的煤运出，分别通过刨煤、 移架、推溜等工序组成作业循环，实现综采机械化连续生产。 z y 5 2 0 0 8 l8 d 型液压支架的主要特点是： 1 工作面三机配套设备能力较大，而且推移千斤顶行程达7 5 0 m m ，配 置德国d b t 提供刨煤机及输送机，可实现高产高效； 2 两柱支撑，支撑能力较大，切顶性能较好，且初撑力也较大，占工 作阻力的7 5 ，同时前、后连杆均采用双连杆，支架抗扭能力大； 3 ：吏架结构件板材均采用7 0 k g e m2 及6 0 k g c m2 高强度钢板，强度均比 普通1 6 m n 提高一倍以上；主要销轴材质均采用3 0 c r m n t i ，比普通4 0 c r 提 高强度近一倍，既可以减轻重量增加了强度，又能提高支架的安全系数； 4 支架的液压系统采用德国d b t 提供电液控制大流量系统，其中立柱 及推移千斤顶采用3 0 0 1 r a i n 以上大流量电液控制操纵阀，可显著提高升、 降架及移架速度； 5 顶粱与掩护梁铰接处采用铰接间隙小、顶梁侧护板设置立封板结构， 挡矸效果好。 2 2 主要技术特征 1 型式：两柁四连杆掩护式 2 支撑商度：不加柱帽加柱帽 3 工作筋度：不加柱帽加拄帽 4 支护宽度： 5 中心距： o8 1 8 0 8 2 0 m 1 1 。1 6 1 1 18 m 1 4 4 1 6 0m 1 5m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 6 初撑力： 7 工作阻力： 8 支护强度： p = 3 15m p a p = 4 22m p 平均 9 对底板比压：平均 3 8 8 0 k n a 5 2 0 0 k n o 5 9 08 2 m p a 1 7 7 m p a 通风断面：架高1 1 m 1 8 m m 2 适应煤层倾角：15 0 运输外形尺寸：( 长宽高)约5 2 l ，4 4x 0 8 m 质最：1 4 2 t 泵站压力：3 1 5 m p a 操作方式：手动、电液两用 立柱：双伸缩2 根 缸经：m 2 8 0 中2 0 0m m 注丝：巾2 6 0 1 7 0m m 行程：一级- - 级3 7 5 3 6 0 r a m 纫撵力：p = 3 1 5 m p a 1 9 4 0 k n 工作阻力：p = 4 2 2 m p a 2 6 0 0k n 推移千斤顶( 德国d8 1 提供)1 根 缸璺西1 35 m m 秆径中8 0 m m 行程 7 5 0m m 难力，拉力：p = 3 l ，5 m p a ( 差动配置) l5 8 2 9 3k n 工_ ；阻力：p = 3 8 m p a5 4 4k n 平衡于斤顶l 根 缸经中1 8 0 m m 杆经m 1 0 5 m m 行攫3 0 0m m 雍力拉力：p = 3 1 5 m p a 8 0 2 5 2 9k n 工0 ：阻力：p = 3 8 m p a9 6 8 6 3 8k n 测推 斤顶3 根 缸经063mm 挖 = 2 h ：2 m ” 限 限 辽宁工程技术大学硕： = 学位论文 7 杆经 行程 推力拉力：p = 3 1 5 m p a 2 3配套设备 ( 1 ) 刨煤机：g h 9 3 8 5 7 ； ( 2 ) 输送机：p f 3 8 2 2 ； ( 3 ) 过渡支架：z y g 5 2 0 0 8 1 8 d ； ( 4 ) 加高过渡支架：z y g 5 2 0 0 1 4 2 8 d ； ( 5 ) 端头支架：z t 6 2 0 0 1 8 3 2 ： ( 6 ) 转载机：s z z 8 0 0 3 15 ： ( 7 ) 破碎机：p c m l 6 0 2 4 主要结构部件及作用i u 0 4 5 m m 1 6 0m m 9 8 4 8 k n 各结陶部件板材均采用7 0 k g c m2 及6 0 k g c m2 高强度钢板。 1 顶梁 顶梁直接与顶扳接触，支撑顶板，承受顶板压力并切断采空区顶板，使 顶板冒落，戊聍为回采工作面提供足够安全的工作空间，是液压支架的主要 承载部件之一。 项梁由四条主筋板、若干条顺筋、磺筋及上、下盖板等组焊成交截面箱 形结构。四条差筋夹空内焊有两个柱窝，与立柱球头呈球面接触；顶梁箱体 中部设有四处套筒，套筒内通过弹簧套筒、侧推千斤顶及导杆和活动侧护板 相连接：在柱窝中部空间设置铰接平衡千斤顶的耳板；顶梁后部与掩护梁铰 接。 2 掩护梁 掩护粱蕾要用来阻挡采空区冒落的矸石窜入架内，维护架内工作空间； 同时通过与前、后连杆铰接及前、后连杆与底座依次铰接来构成支架四连杆 机构，翳耍承受顶皈的水平推力、侧向力硬扭转力矩，还要保证支架的梁端 距变化尽可能小，所以掩护梁是支架的主要连接和掩护部件，必须要有足够 的强燮和弧爱。 该掩尹粱由四条主筋板、若干条横筋及上、下盏板等组焊成箱形结构。 掩护粱e 瑞与顶粱后端铰接；中部设霓铰接平衡千斤顶的耳板：下端与前、 辽宁】：程扳求大学硕l 学旺论文 8 后连忏，卜端蔹按：在两侧以与顶粱相同方式设置侧推装置，分别装有活动侧 护板。 3 前、后连杆 凌支架的静、后连杆均为两侧双向布置，分别与底座和掩护梁铰接组成 支架四连杆机构，使支架上下构成一个完整的运动整体，并按一定的双纽线 轨迹运动，从j 所保征了支架具有合理的梁端距；同时还承受较大的侧向力和 扭转力矩，使支架具有抗扭能力。 4 底座 底座是整个支架的重要承载部件，它的主要作用是将支架承受的顶板压 力传递到底扳，所以底座既要有足够的习4 度和强度，又要满足对底板比压的 要求。 该型支架采用分体式底座，由左、右对称两个箱形底座通过后部连接 耳板在中间铰接组成。左、右分底座均为箱形结构，在两条主筋间均设有 一个柱窝，与立柱缸底呈球面接触：两底座中部空间设置推溜及拉架装置； 底座中郝和 i 部与前，后连杆铰援。 5 ，活动倪i 护援 支榘的须梁和掩护梁均设有活动1 蔓! i 护板，主要用来保证支架之间具有良 好的接触，以调节架间距，防止架问漏砰，并起到一定的防倒作用。各活动 侧护扳的，申前均由两套弹簧套笥和各自侧难千斤顶控制，最大伸缩量为 1 6 0 m m 。本支架的侧推千斤顶缸径为母6 3 m m 。 6 推杆 推杆前瑞通过连接头与输送机相连中部耳座与推移千斤顶连接构成推 溜拉架装置，貂推移千斤顶的伸缩实现移架、推溜。推杆分为三部分，前、 后均为箱形结构，中间通过两个伞7 0 弹簧圆钢铰接组成。 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 3 液压支架运动学分析 液压支架四连杆机构运动学分析方法常见有下列两种：一是，以支架后 连杆水平顷角为自变量的常规分析法；二是，以支架工作高度为自变量的优 化分忻法。 3 1 以支架后连杆水平倾角为自变量的常规分析法 图3 1 所示为四连杆机构简图。 图3 - i 四连杆结构商囝 选取后芝杆水平倾角“为自变量，并建立平面直角坐标系x o y 。已知参 数：上1 为后连杆长度；l ，为掩护梁长度；以为连杆面长度；l ；为前连秆长 度；厶为前连杆下铰接点d 至支架底面距离；厶为前后连杆下铰接点问的水 平距离；，为后连杆下铰接点c 至支架底面距离；l 。为顶梁与掩护梁铰接点 p 至支架顶面距离；厶为p 点至前连杆上铰接点b 的距离；h ，为支架最低工 作高度；。为支架最高工作高度。 图中，a ，y 分别为后连杆、掩护梁、前连杆的水平倾角；，t p ) 为 p 点坐标。，为万与万之间的夹角；护、l ，兮利为四连扦机构的运动瞬心o 点 与p 点连线的水平倾角和长度；九、d 分别为c ，d 连线的水平倾角与长度； 0 晶坛j 为瞬心o ：点的坐标；h 为支架任意工作高度，则有 h = 厶+ 厶+ 厶s i n 口+ ， s i n ( 3 一1 ) 坚! 三墨堡查查：兰墅= ! 三兰堡丝茎 ! ! 式中 oo o o o o o o o ( 3 2 ) oo o o o o o ol 3 - 3 ) oo ( 3 4 ) 屈= 一s c 笔斧卜协 口= 石一q + 丸) ； ( 3 6 ) 磊= 半 ；们忉 破= 二= 獬。s ( 笔鞠；s ， s 曼差；：二9 ， d = 、厄j 丽；( 3 1 0 ) 乙= 擂i 正瓦可i ；( 3 1 1 ) x = - l 1c o s 口，e = l 71 厶s i n 口： ( 3 1 2 ) x p = t + 工：c o s 卢，r e = l + 工：s i n l 3 ； ( 3 - 1 3 ) x 口= 髟+ 厶e o s ( p 一屁) ，= e 厶s i n ( 一屁) ；( 3 一1 4 ) ，= 硪+ 疙一吮： ( 3 _ 1 5 ) 曰s = j 一0 t + 破+ 如) ： ( 3 - 1 6 ) 于万：墅! 亟垒! d ；( 3 1 7 ) s i l l x d l = _ _ 面c o s 口，= 7 + 一c o ：s i n o t ； ( 3 1 8 ) 釜掌 + 故 h 咖 咧 龟 屁 锄 坷 忙 风 即 辽宁工程投术大学硕：仁学位论文 口= 啾( 格 ； l s = ( x p 一r q ) 2 + ( r p x q ) = ； ( 3 - 2 0 ) 这样，只要给定后连杆水平倾角a ，四连杆机构其它参数由以上各式均 可确定。这种分析方法思路明了，计算过程简单，编程方便，为目前国内外 支架设计人员与研究人员所普遍采用，其缺点是难于准确地计算出对应于某 一具体工作高度下支架的几何运动参数、力学参数和强度状态，且必须事先 给定a 角的取值区间，因而使用起来不够方便。实际使用时最好采用以支架 工作高度为自变量的优化分析方法。 3 2 以支架：e 作高度为自变量的优化分析法 支架【一绍高度h 的变化引起支架四连杆机构几何运动参数的一系列变 化：同样，高度的变化也影响支架力学特性的改变。因此，直接以支架工作 高度为自变翳进行四连杆机构的运动学分析是十分必要的。 0 6 l8 法 解题思路有上述公式推导过程可知，式( 3 】) 己建立起掩护梁水平倾角与 后连杆水平倾角“问的隐函数关系式，即= g ( 盯) ，且有h = f ( o e ) ，即 h f ( o e l = 0( 3 2 1 ) 上式实际上是一个一次超越方程，可采用优化迭代法在其根所在的区间 【“。，“。；】上逐行求解c 实际上，【a 。，a 一】为支架后连杆水平倾角a 的理 论区间。对于一般的支架四连杆机构来说，a 。处支架不一定工作在最低高 度；同理，口处支架不一定工作在最大高度。因此，若直接以区间【“。，a 一】 作为方程式( 3 2 1 ) 根的搜索区间，将不能保证根a 的唯一性。但是，在理 论区间【a 。，a 一】上一定存在唯一使h 取极大值和极小值的两点和a ，。若 把区间【“，“。】作为方程式( 3 - 2 1 ) 根的搜索区间，则定能保证跟的唯一性。 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 2 如图3 2 口眦5 1口t g口h 口 ，口雠 口 图3 - 2h 与口之闻的关系示意图 利用最优化理论中豹一维优化方法，不仅可以求出与支架理论高度区间 【h 。，1 f 。】所对应的【嘶，口，】，而且可以求解一次超越方程仃一厂( 口) = 0 当选 择比较常用的0 。6 1 8 法时，求解步骤如下： a 极小化h ，求出与。对应的“，； b 极大化h ，求出与仃一对应的“川 这样，在求出了方程式( 3 - 1 ) 根存在的单调区间【“，a 。】的同时，也求出 了支袈的理论高度区间【日。，一 。支架实际工作高度区间【也，i f 日】仅是 【。，h 一】中的一个子区间。 c 在单调区目【a ，】上求与支架任意工作高度h 对应的a 值，即方 程式( 3 1 ) 的根，亦可以转化为一维优化问题，即极小化 i f f ( o o 2 。根据上 述理论不难编出以高度为自变量的支架四连杆机构运动学分析的计算机程 序。 3 3v b 程序设计 v b 是m i c r o s o f t 公司推出的可视化编程语言，可视化编程是种快捷， 标准、高效的程序设计方法，它利用面向对象的编程方式，让程序员通过对 象操作能漫汗出与w i n d o w s 操作系统风格一致的界面。v b 是目前深受程序 员亲球的可视化程序设计语言之一f “。 v b 语言具有很强的屏幕作图功能，通过液压支架运动学分析通用程序， 计算出支架各个铰接点的坐标，然后利用v b 语言的绘图指令将各个铰接点 有序连线，就可以绘制出在某一工作高度h 下液压支架杆系结构示意图。 通过设定：苛度步长，就可以描绘出液压支架在运动过程中个构件在每个高度 辽宁j ：程技术大学硕 j 学位论文 1 3 f 的支浆架私，以硬各铰接点在全街度范豳内的运动轨迹，尤其是顶梁端点 的运动轨迹。 根据以上算法思想，在计算机上编制了v b 语言程序，程序流程图如下： 3 4 支架运动学分析软件 偷 以下是与d b t 剑煤机配套液压支架的分析界面和分析结果。 尺寸输入界萄： 罕 辽宁工程技术大学硕士学位沦文 1 4 支架运，! 班! j 圈3 2 爻架，鼍。 ，吧j + i i 入界睡 图3 - 3 支架程序分析界面 从图3 3p i 以看 i ，支架运动鞔迹惩以双经线。 辽宁工程技术大学硕：t 学位沦文 液压支架，狗使用高度：8 0 0 1 8 0 0 m m 计算出的极限高度：2 2 0 0 m m 计算出的水平轨迹变动量4 1 m m 3 5 掩护式支架受力计算d 2 】 在对支架运动学分析的基础下，进一步对支架进行性能参数的计算。 为了研究不同支架高度对支架受力的影响，首先必须求出支架受力与支架各 构件的几何关系。项梁支护阻力和作用点位置，取顶梁为分离体，如图所示： 一 x 一h 一，一 f 互型一 r ， i 一 肛 l 6 ： ， 一 一6 q z l 夕l f 二 f 3 ， 图3 4 顶梁分离体 取 ，e = o 经整理求得合力作用点位置如下： x = 型丛生堕坠坐斧咝望型坠坐盟( 3 - 2 2 ) 取顶梁和掩护梁为分离体，如图所示： 1 3 一一 x 一 f q 口_ 一 1r f jl li u l 一一一一7 1 眠6么 图3 5 顶粱与掩护梁分离体匿 辽宁工程扳术大学硕学缸论文 1 6 取 ，0 t = o 代入( 1 ) ，经烂理得： 巧= 虫鲤丝巡弩努型业删 式中马一平衡千斤顶推拉力。 推力取”+ ”；拉力取”一”。 顶梁和掩护梁铰点受力，如图( 顶梁分离体圈3 4 ) 由x = o 得： e = 只s i n ( q 1 ) 一e + 只c o s ( q ：) 由r = o 得： e = pc o s i q lj 一只+ 只s i n ( q ) 前后连符= 的约束力 取掩护梁勾分离体，如羽所示： y ， 一l r 3 l ：二一 雾 口， 0 t 。 x 图3 6 掩护粱分离体图 取 ，= 0 经整理可得前连杆约束力乓： e = 型盥型最端黑槎皆巡趔( 3 - 2 6 ) s i n ( v x x t r 一 4 一x 9 ) c o s ( p 7 ) ( k 4 一玛) 取也= o ，经整理可得后连杆约束力凡 p ：墨墅堕垒：! ! 墨二墨! ! 二墨竺塑丛墨二墨! ! 墨堡二当2 二墨f 墨二墨! !( 3 - 2 7 ) 。 s i n ( 口) ( 墨4 一爿j ) + c o s ( a ) ( 1 4 一马) 底座反力及其作用点 取支架底座为分离体，如图所示： 辽宁工程技术大学硕：l = 学位沦文 1 7 图3 - 7 底座分离图 取 ，。= o ，经整理得： l ，一只c o s ( v ) l + es i n ( v ) l l ：一只c o s ( a ) l , , 墨! ! ! ! ! 当上! 竖二墨s i n ( q , ) 三1 6 n 一一 e = f 3 6 计算机程序流程图 本程序可根据摩擦系数不同，郎w 为0 ，0 15 ，0 3 及平衡千斤顶的雅拉 力不同，即忍为推力时取”+ ”，最为拉力时取”，输入程序，可求得不同支 架高度的支架各部受力， 程 3 7z y 5 2 0 0 8 1 8 d 液压支架分析结果 辽宁工程技术大学硕七学位论文 1 3 支架在不同岛度时受力； 表3 1 支架荇高度受力 顶梁载顶梁载荷前连杆后连杆底座载底座载荷 支架离殷 荷作用点受力 受力衙作用点 m mk nm mk nk nk nm m 8 0 02 0 9 1 31 2 4 9 3 5 25 9 0 5 62 l5 7 82 0 9 1 31 9 3 8 8 4 4 9 0 02 5 6 4 。9l1 9 97 9 95 9 0 8 62 6 4 2 42 5 6 4 91 8 5 1 8 0 6 1 0 0 02 9 9 9 5 1 15 5 4 6 25 6 9 5 1 2 8 9 7 12 9 9 9 51 7 7 00 7 1 l1 0 03 3 7 5 9l1 2 1 0 5 35 3 2 9 22 9 6 7 13 3 7 5 91 6 9 9 15 5 1 2 0 03 6 8 3 71 0 9 7 0 5 94 8 81 92 9 l1 83 6 8 3 716 4 0 2 8 9 13 0 03 9 2 4 11 0 8 2 2 5 24 4 0 7 92 7 8 s 7 3 9 2 4 115 9 2 3 8 6 1 4 0 04 1 0 2 71 0 7 5 3 6 53 9 4 1 42 6 2 8 54 1 0 2 715 5 4 0 3 4 15 0 04 2 2 6 5 1 0 7 5 ，5 6 73 4 9 8 82 4 6 5 44 2 2 6 5l5 2 38 9 9 1 6 0 04 3 0 1 21 0 8 2 7 1 23 0 7 9 92 3 0 9 14 3 0 1 2l5 0 0 7 2 2 1 7 0 0 4 3 2 9 91 0 9 7 6 0 22 6 7 4 12 1 6 3 64 3 2 9 91 4 8 3 5 0 5 l8 0 04 3l1 81 1 2 2 18 42 2 6 2 22 0 2 7 14 3 11 81 4 7 1 4 7 8 支架底板，顶板比压图 最大高度1 8 0 0 r a m 时，支架的顶板和底板比压图： 图3 9 液压支袈比压分布图 支架在各高度的运动学性能参数 辽宁r 程技术大学硕 学位论文 1 9 表3 2 支架各高度性能参数 支架高掩护粱立柱倾 梁瑞割煤支护底座前端底座后端 度角度角 距 强度 比压 比压 m m d e g d e g m mm p a m p l am p a 8 0 07 8 0 l6 1 2 2 43 4 30 3 6 9o 5 2 1o 9 0 01 1 3 55 5 1 7 7 35 l o 4 5 2 1 2 9 2 0 0 3 l o o o 1 4 6 84 9 8 l33 5 8o 5 2 8l3 7 6o 17 1 11 0 0l7 8 5 84 5 1 1 73 6 5o 5 9 31 4 1 7o3 2 4 1 2 0 02 09 3 24 1 0 83 7 00 6 4 6l4 2 7o 4 7 3 l3 0 02 3 9 7 l3 7 6 2 9 3 7 3 o 6 8 8 14 1 7 o 6 0 7 1 4 0 0 2 7 0 4 3 4 6 8 l 3 7 4o 7 1 91 3 9 5o 7 2 1 1 5 0 0 3 0 2 0 43 21 4 93 7 40 7 4 l1 3 6 7o8 1 3 1 6 0 0335 4 92 9 9 2 73 7 5o 7 5 41 3 3 6o 8 8 2 1 7 0 03 71 8 22 79 0 53 7 7o 7 5 81 3 0 4o 9 2 9 l8 0 04 1 2 2 42 5 9 6 13 8 3o 7 5 412 70 9 5 4 3 8 本章小节 此程序绘制出的支架的工作高度和计算出的支架的几何运动参数，以及 顶梁端点的运动轨迹，对支架尺寸设计是否合理和迸一步深入的研究液压支 架结构参数的优化设计将产生深刻的指导意义。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4支架受力分析 对于液压支架这样高载荷重量比的井f 承载机械来说，由于煤层赋存条 件，井下地质条件及矿压显现复杂多变，支架的受载工况有很大的随机性。 因此，从支架和围岩相互作用关系入手，阐述了支架承受复杂的恶劣的外载， 对支架结构的影响，主要由于支架积顶底板的不良接触以及顶扳垮落的某些 特点引起的。然后从顶梁随机受力出发，撞导了四连杆机构的均值受载。 4 1 液压支架受围岩载荷的特征分析b 8 j 众所周知，液压支架的主要任务是用来管理顶扳底板，控制工作面及采 空区岩层的活动，并为采煤工作面的人员和设备提供一个安全可靠的作业空 间，而顼板施加于液压支架的载荷通过支架顶梁来传递。因此，顶梁和直接 顶板之间的接触状态，对于液压支架的外载特征分析是至关重要的。由于我 国综采工作面煤层地质条件复杂多变，岜就造成了支架在工作过程中的承载 状态的复杂牲和随机性，总结我国综采工作丽矿山压力的研究成果及对众多 的液压支架损坏情况的调查分析，对支架影响较大的外载荷状态主要有对称 和非对称集中载荷两类， 由于工作面顶板的起伏不平，特别对于层理明显的坚硬顶板，当项梁有 浮矸存在时，常造成顶梁和顶板之间单点接触和单线接触，这使得支架受载 分恶劣。 为保汪液压支架的质量，根据液压支架的工作条件选择较恶劣的工况， 在试验室里对整机的性能、强度和耐久性能进行严格测试。如果样机能够满 足标准要求，就可以在实际生产中按照样机设计和要求进行生产从而保证 设计和制造质量，避免发生事故，减少重大经济损失。 我国煤炭部颁布标准“液压支架型式试验规范”中规定的内加载试验集 中反映了液压支架在井下工作时可能遇至的各种危险受力状态，对任何架 型，这种试验方式均能使支架达到最大支撑力。下图中的加载方式即顶梁和 底座加扭转载荷，这种加载方式是掩护式支架受力最危险的一种加载方式， 也是在型式试验中支架最容易损坏的一种加载形式，本节采用该加载方式进 行支架的空间立体受力分析，确定支架的受力。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 l 0a 7 囟。 、 l _ 目b 图4 1 垫块位嬖 s 1 0 0 r a m ；，研3 ；b = 1 5 0 r a m ；口= 3 0 0 r a m ；， b 4 2 液压支架空阀力学模型 1 9 】 bs 按强度试验加载方式( 顶梁加扭转载荷) 可建立起两柱掩护式支架空间 力学模型的一般数学方程。分别取顶梁和掩护梁为分离体，其受力如图4 - 3 所示。 图4 2 两样掩护式支契嚷体受力图 辽宁工程技术大学硕 学位论文 4 2 1 液压支架顶梁空间受力分析 图4 - 3 掰柱掩护式支架顶烫，掩护梁受力 顶梁分析： 、一n 取厶“ ：r 。+ 冗2 。一zs i i l ( 励一只c 黔s ( c t ；) 一( 9 + d v = 0 ( 4 - 1 ) f 一n 取厶一”：r ，+ 足，+ 2 只c o s ( 历+ 只s i n ( 铂) 一 + d ，) = 0( 4 - 2 ) 取y m 趸梁中心线垂直方向= 0 q ：b l q ：眈+ 【r 1 ，一r ，) 也= 0 ( 4 3 ) 取y m 页梁中心线水平方向= 0 ( r ，一曼，) 6 ：一o ，a + q ：弦。2 0 ( 4 - 4 ) 取e m 项梁与掩护梁铰接处= 0 q 1 上l + q 二：一2 只工5c o s ( p ) 一2 c ( 6 一l j ) s i n ( f 1 ) 一只7s i n ( a 。) 一只池一l 3 ) c o s ( o t ；) 一( d l + q ：) 口32 0 ( 4 - 5 ) 辽宁工程扳术大学硕： 学位沦文 4 2 2 液压支架掩护梁空间受力分析 -y 图4 4 掩护粱受力 掩护梁分析； 在掩护粱面j ：建立坐标系，如图4 - 4 所示： 取x v = 0 ： 一( r l 。十r ：，) c o s ( t z 3 ) + ( r ，+ r ：，) s i n ( z 3 ) 一( e + 只) s i n ( a 3 一o r 1 ) 一( 只+ 疋) s i n ( a 3 一口：) + 只c o s ( a 3 一口4 ) = 0 取r = ： 一( j r l ：+ r ：，) s i n ( a 3 ) 一( r ，+ r ：，) g o s ( f l ， + ( e + e ) c o s ( a 3 一口1 ) + ( + e ) c o s ( a 3 一口：) + 只s i n ( a ，一口。) = 0 取垂直掩护柒面刀矩和= 0 ， ( 墨，一r h 矽：s i n ( a 3 ) ( 蜀，一r 2 ，涉：c o s ( a 3 ) 一( e e 地c o s ( a ，一) 一( 瓦一瓦如e o s ( c t 3 一a 3 2 0 ( 4 - 8 ) 取掩护梁面上水平力矩和= o 一( 弓，一r ! ，) 6 ：c o s ( a 3 ) + i 焉y r 2 ，妒：s i n ( a 3 ) 一( e e 地s i n ( a 3 一口1 ) 一( 只一圪燃s i n ( a 3 一口：) 2 0 ( 4 - 9 ) 取掩护梁与顶梁铰接处力矩和= o 辽宁工程技术大学颀上学位论文 ， ( 以+ e ) 7c o s ( a 3 一口1 ) + ( 吒+ ，：) ( 三7 + l 。) c o s ( o r 3 一啦) + 只上9c o s ( a 3 一口4 ) + 只上l os i n ( o r 3 一口4 ) = 0 该力系为超静定力系，共有l1 个未知数， 根据变形狮罚条件建立补充方程为； 9 ( g j 。) 一1 2 0 ：b 5 ( e b c l ) = 。 e 一垫块材料弹性模量 g 一顶梁抗扭弹性模量 ，一一顶梁扰扭截面模量 占一垫块厚度 必须建立一个补充方程才能求解， c v 一垫块与顶梁接触长度 z 。，一顶梁与长垫块接触宽度 b 一垫块宽度 用解析法解得支架空间受力的解析表达式为 l = l ：一三7 ；厶2 = l 7 一l 2 d l = 【( ：一( l 。：一以，】( 上。一l 。：) q ：= 【( 。，一刀毛f ，一c 2 】“l 。一l ，：) r 。= d ，+ ( 1 一s ) b , 【c ：一( 厶：一_ l ，已】， h ( 厶，一厶：) 】一c , 2 r ，= c 一(