外文翻译-大倾角液压支架四连杆机构的设计

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，ADAMS被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COSMOS/Works对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；ADAMS；有限元分析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BASIC编程，但是结果经常不能满足设计的要求，也不能获得最优解。现在，ADAMS被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ADAMS对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COSMOS/WORKS进行了有限元分析。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：221111;tan.oaAbBcCdDoEeGABSeFJSeLIIUGL图1：四连杆机构的参数2.1后连杆和掩护梁尺寸的计算如图2，如果H1确定了，可得到掩护梁的尺寸：(1)11sin()sin()HGPIQ第6页后连杆尺寸为：(2)AIG前后连杆绞点之间的距离为：(3)1BI前连杆最高点和掩护梁最高点之间的距离为：(4)F后连杆底部和坐标原点之间的距离是E1，如图二所示。图2：四连杆机构的几何关系2.2前连杆长度和尺寸的计算1）b1点坐标当支架处于最高位置H1时，b1点坐标为：(5)11cos()xFP(6)inyH2）b2点坐标当支架处于最低位置H2时，b2点坐标为：(7)22cos()xFP(8)2insin()yBAQ根据几何学要求，当支架处在最低位置时，必须保证Q22530，这里假设Q2为25，(9)2212cos()arctnGEPA3）b3点坐标当后连杆和掩护梁处于垂直位置时，b3点坐标为：第7页(10)33cos()xFP(11)3inin()yBAQ(12)1322(arctrcta)2EPGA(13)33Q4）c点坐标因为前连杆长度不会发生变化，所以，故而通过圆的方程可求出c123cbc点坐标：(14)22223131233311()()()()()(cxyyxyyxx(15)222233133123121()()()()()(cy前连杆的长度和角度便可以通过c点坐标来获得。2.3D（cd）、E（o2d）长度的计算当得到c点坐标后，D、E长度为：(16)y(17)1cx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：tan0.38175.0Q29.8159.6P215.099Am6BCm37.D42.E43.G3四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ADAMS/VIEW对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（mm）灵敏度（mm）优化的意义（mm）DV_1POINT_1Y367.34.4265DV_2POINT_2X421.91-2.3478DV_3POINT_3X981.960.461006.5DV_4POINT_3Y814.88-5.9835.25DV_5POINT_4X756.22-3.5829.40DV_6POINT_4Y1001.990.861024DV_7POINT_5X-52.360.65212.10DV_8POINT_1X00.4410.2DV_9POINT_2Y00.375-9.58从表1中可以获得设计变量的变化范围和灵敏度。MSC.ADAMS/VIEW可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，DV-1、DV-2、DV-4、DV-6的灵敏度最大，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。157.9Q24.016.4P90Am60Bm5C2D78E15G借助ADAMS软件，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3.优化后的轨迹曲线分析可知，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COSMOS/WORKS软件，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4.1有限元分析结果通过运行有限元程序，COSMOS/WORKS将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11.63mm，等效前梁的压力为562.7Mpa，等效应变为3.503E-03。所有绞点的情况可从表2中看到。表2.连接柱销的受力柱销剪切应力（N）轴向力（N）动量(N.m)扭矩(N.m)掩护梁与顶梁左铰接柱销40484-16175204260.03761掩护梁与顶梁右铰接柱销85616-288.66222.6-0.03675前连杆与掩护梁左铰接柱销2.12E+05-8604.43542-0.00056前连杆与掩护梁右铰接柱销1.90E+05-650.172228.1-0.00041后连杆与掩护铰接柱销1.56E+051685.9265.950.00204后连杆与底座铰接柱销2.86E+056556.84693.7-0.00049前连杆与底座左铰接柱销2.20E+05-103402784.5-0.00081前连杆与底座右铰接柱销1.83E+05-1097.31094.50.000864.2数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