液压支架四连杆机构运动分析和优化设计

液压支架四连杆机构的运动分析和优化设计刘 刚（河北天择重型机械有限公司，河北 邯郸 ）摘要：利用SolidWorks实现了液压支架二维模型的建立，分析了四连杆机构的运动规律，得到了顶梁前端准确的运动轨迹，并且对四连杆机构进行了优化设计，为液压支架的设计制作提供了方法和经验。关键词：液压支架；四连杆机构；优化设计kinematics analysis and optimization design of Hydraulic Supportfour-bar linkageLIU Gang（Hebei Tianze Heavy Machinery Co.，Ltd.，Handan ，China）Abstract：Drew planar models of hydraulic support based on SolidWorks, analyzed kinematics regulation of the four-bar linkage, get accurate kinematics track of canopy,and optimized four-bar linkage，provided the method and experiences for design and manufacture of hydraulic support.Key words: hydraulic support；four-bar linkage；optimization design0 引言液压支架不仅可以维护顶板和工作空间，而且能够推动工作面移动，是煤矿综采工作面的核心设备。现在普遍采用四连杆机构作为顶梁的稳定机构，经过长期的实践使用，取得了巨大的经济效益，彻底解决了支撑式液压支架稳定性差的问题。四连杆机构是液压支架最重要的连接部件，它控制顶梁沿近似双纽线的轨迹运动，大大缩小梁端距的变化量，提高了顶板管理性能。其次，它能使液压支架承受较大的水平力，提高了液压支架整体的稳定性。1 液压支架二维模型的绘制由于AutoCAD、CAXA等二维制图软件绘制的图形之间不能实现联动，因此，选择使用比较广泛的三维制图软件SolidWorks绘制液压支架简图。SolidWorks中的“块”命令可以将单个或多个草图实体生成块，然后通过定义每个块的几何关系就能设计出机械装置和连杆机构的二维模型。运行SolidWorks程序，打开一张草图，绘制底座轮廓图，精确定位前后连杆的铰接点和柱窝的中心点。然后，选择“制作块”命令，将所绘制的草图定义成单一块，这样草图实体之间的运动被冻结，和AutoCAD中块的状态相同。这时，“块1-1”显示在左侧 FeatureManager设计树中的草图1下。按照上述方法，分别绘制前连杆、后连杆、掩护梁、活塞杆、活塞筒和顶梁的轮廓图并定义成块。在 FeatureManager 设计树中分别右键单击生成的块，然后选择“保存块”，输入各自的名称，保存起来。再新建一个零件窗口，选择“插入块”命令，依次插入底座、前连杆、后连杆、掩护梁、活塞杆、活塞筒和顶梁的块文件。然后选择“添加几何关系”命令，将各零部件约束到相应位置，如图1。图1 液压支架的二维模型2 四连杆运动分析图1中的块为未固定块，可以随意拖动，要想固定底座，并允许顶梁和四连杆运动，就必须添加相应的几何关系来约束顶梁和底座。选择“添加几何关系”命令，将底座设置成固定，顶梁设置成水平。现在就可以拖动顶梁来观察顶梁前端的运动轨迹。我们可以用描点法准确绘制顶梁前端的运动轨迹。打开另一张草图，用来绘制顶梁前端的运动轨迹点。在支架模型草图中用智能尺寸将顶梁约束到最大高度，然后切换到描点草图，绘制一点和顶梁前端点重合，在左侧“点”的PropertyManager中，删除“现有几何关系”栏中的“重合”关系。再回到支架模型草图中，以步长100 mm（步长越小越精确）减小支架高度，按照上述方法依次在描点草图中确定顶梁前端对应的点。最后用“样条曲线”命令连接所有的点，得到的曲线就是顶梁前端准确的运动轨迹，如图2。如果需要，我们还可以得出各个高度时所对应的前连杆与水平线夹角、后连杆与水平线夹角、掩护梁与水平线夹角、四连杆瞬心位置等优化设计时的重要参数。图2 顶梁前端运动轨迹3 四连杆优化设计 在进行优化设计前，先根据液压支架四连杆机构的性质，绘制四连杆几何特征图，如图3所示，AC为后连杆，BC为掩护梁，O点为四连杆瞬心，角为掩护梁上铰点B和四连杆瞬心O连线与水平线的夹角。图3 四连杆几何特征图以四连杆附加力小为目标来优化四连杆。液压支架在承载过程中会对四连杆机构产生附加力，角越小附加力越小，对支架越有利。同时，为有效地控制顶板，要求梁端距的变化越小越好。根据四连杆机构的特性可知，支架在某一高度时的角等于此时顶梁前端双纽线轨迹的切线与顶梁垂线间的夹角。因此，把角趋近于0作为目标函数。在四连杆机构的几何特征要求的范围内，调节前后连杆的角度使角趋近于0，以达到附加力和梁端距变化量都趋近于零的目的。以支架重量轻为目标来优化四连杆。液压支架的重量关系到煤矿企业的投入成本，在相同工作阻力下，支架的重量越轻越好。支架的顶梁、底座的大小由支护强度、底板比压、刮板机和采煤机的体积等一些煤矿固有因素决定，设计人员能进行优化的主要是四连杆机构的尺寸。由四连杆性质可知：支架在最高位置时，Q角和P角越大，支架越轻。在保证支架正常下降的情况下和四连杆机构的几何特征要求的范围内，尽量加大Q角和P角。综上所述，液压支架四连杆机构的优化设计是一个综合性问题。在四连杆机构优化设计一般的约束条件下，可能会得到几百组解，而且目标函数不同，所得的解也不同。我们必须协调好支架的附加力和支架重量的关系，使液压支架在同一工作阻力的情况下，附加力和梁端距变化最小，重量最轻。我们可以在图1的基础上，运用“编辑块”命令来重新布置优化后的四连杆位置，检验优化的结果，直到得到满意的结果为止。4 结束语 利用SolidWorks中“块”的功能建立了液压支架的二维模型，采用描点法得到了顶梁前端准确的运动轨迹，分析了附加力和重量两种优化设计的方法和优化设计的检验方法，与以往的三维模型运动仿真相比，节省了大量的时间，为液压支架的设计提供了一种方便实用的分析方法。参考文献1李国军.煤矿（矿山）综采液压支架设备选型设计、工况分析检测及液压支架安全运