液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1、液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析摘要：針對一種液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，完成一款滿足現(xiàn)場使用 的液壓支架結(jié)構(gòu)。首先利用經(jīng)驗(yàn)分析的方法確定方案，然后利用傳統(tǒng)方法進(jìn)行機(jī) 構(gòu)設(shè)計(jì)，再利用Simulink進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度驗(yàn)證和優(yōu)化校正，最終實(shí)現(xiàn)對機(jī)構(gòu) 參數(shù)的影響因素探明和達(dá)到設(shè)計(jì)效果。關(guān)鍵詞：液壓支架；四連桿機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)分析1引言液壓支架是一個多連桿機(jī)構(gòu)，整個液壓支架連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動取決于頂梁、底 座和前、后連桿組成的四連桿機(jī)構(gòu)。四連桿機(jī)構(gòu)作為液壓支架機(jī)構(gòu)組成，不僅具 有約束位移的作用，還應(yīng)有提高支架的穩(wěn)定性和其他功能，所以對支架系統(tǒng)簡化 而出的四連桿機(jī)構(gòu)作分析和設(shè)計(jì)是十分必要的。2液壓支架連桿機(jī)構(gòu)的

2、幾何特性液壓支架的簡化圖，如下圖1示。連桿機(jī)構(gòu)有且僅有一個自由度，可以通過 立柱和均衡千斤頂約束這個僅存的自由度，讓連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位支撐和穩(wěn)定機(jī)架 的功能。液壓支架簡化圖承載的過程中需要頂梁保持水平，所以頂梁的主要承載防護(hù)能力將和E點(diǎn)的 位置相關(guān)聯(lián)。在設(shè)計(jì)液壓支架的時候需要重點(diǎn)研究去掉頂梁、立柱和均衡千斤頂 后的四連桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由底座、前后連桿和掩護(hù)梁組成。依照四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡經(jīng)驗(yàn)，在保證頂梁水平的同時，E點(diǎn)和頂梁前點(diǎn) 的軌跡類似于一條S形曲線，使用中如果這條S型曲線的水平誤差e越大，越不 利于支撐護(hù)頂。所以需要合理的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)參數(shù)，控制頂梁前端的水平誤差e。另外，四連桿機(jī)構(gòu)不僅具有定位功

3、能，同時兼?zhèn)渲畏雷o(hù)和放頂煤的功能， 所以需要對機(jī)構(gòu)各桿件的行程做出一定的約束，這也是液壓支架四連桿設(shè)計(jì)的主 要約束條件。（1）支架在HMAX與HMIN之間升降時，為了保證可靠的支護(hù)范圍，頂部 梁前端與煤壁間的距離e變化應(yīng)該小于0.1m,最優(yōu)取值為0.07m左右。（2）支架在HMAX與HMIN，對頂梁與掩護(hù)梁之間的夾角P以及后部連桿與 底端平面的夾角Q要求如下：支架在HMAX時，為防止連桿機(jī)構(gòu)發(fā)生摩檫力條件下的自鎖行為需要對掩護(hù) 梁和后連桿的垂向夾角做出一定的約束，按照工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一般要求 PMAX=5262，QMAX=7585。支架處于HMIN時，要想使砰石順利滑落，則有tanPW，W為鋼梁

4、表面和 砰石之間的摩擦系數(shù)，取W=0.4，即：tanP=0.4，求得P=21.8； P的取值影響支 撐效果和溜煤效果，這里取P=25。充足的落煤區(qū)域?qū)β涿河欣?，Q可取2530。（3）鉸點(diǎn)E和幾何中心O連線和水平方向之間的夾角是8，因影響分力的 大小，要求tan00.35o傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)和梁端軌跡校核在四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，后連桿直接影響放煤口所在的尾部空間，其水平最小 夾角為下點(diǎn)時，掩護(hù)梁在此位置坡度最小，最不利于頂煤的滑落，所以此處的坡 度應(yīng)該具備下限。掩護(hù)梁和后連桿之間的夾角過大會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)自鎖問題，相對應(yīng) 最大支撐高度位置，為連桿水平夾角的上限。所以，掩護(hù)梁和后連桿之間相互制 約，應(yīng)該

5、被首先確定。然后采用前連桿在機(jī)構(gòu)中長度不變的方式，假設(shè)前連桿和掩護(hù)梁的鉸接位置，利用幾何原理求出前連桿和底座的鉸接位置。在校核過程中，利用數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB通過編程來研究隨著各參數(shù)變化 下頂梁運(yùn)動軌跡的變化規(guī)律。3.1掩護(hù)梁總長度和后連桿長度確定要計(jì)算出掩護(hù)梁的長度和后連桿的長度，可以采用解析的方法，如簡圖2。圖2掩護(hù)梁與后連桿簡圖圖中，L掩護(hù)梁鉸接長度，m；L1后連桿長度，m；L2E點(diǎn)垂直H-H線交點(diǎn)距后連桿鉸點(diǎn)距離，m； hl支架在最高位置時的高度，h1=3.6m； h2支架在最低位置時的高度，h2=2.3m； 從幾何關(guān)系可以列出：（1）將上式聯(lián)立可得：（2）鑒于四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動特點(diǎn)：

6、可以使得：支架在HMAX時：（3）則掩護(hù)梁的長：（4）得：后部連桿長為：3.2確定前連桿的長度和鉸接位置具體作圖步驟如下：（1）確定后連桿下鉸點(diǎn)O點(diǎn)的位置，考慮底座和后連 桿的鉸接位置具有一定的高度，在此忽略。（2）過O點(diǎn)作與水平線H-H直線。（3）以O(shè)點(diǎn)做圓心，以L1為半徑作弧。（4）過點(diǎn)A作與H-H所在直線相交、 角度為60的傾斜線。以O(shè)點(diǎn)為圓心，做一個圓弧，半徑為L2（5）過丫點(diǎn)作 與H-H線平行的直線F-F（6）現(xiàn)在把A作為圓心，0.1L為半徑畫弧。（7） 此時如果將支架上升的過程看作為動態(tài)的，頂端梁的端頭可以看作是一個直線的 運(yùn)動。過E作F-F的相交垂直線E E”，當(dāng)支架處于HMIN

7、時，頂端梁和掩護(hù)梁 之間的鉸接連接點(diǎn)E”，以兩鉸點(diǎn)為端點(diǎn)做的直線的中點(diǎn)E”，可以作為支架下降到 中位時頂梁與掩護(hù)梁之間的相連的絞點(diǎn)。（8）現(xiàn)在分別把點(diǎn)O和E”作為圓心畫 弧，把L和L1作為半徑作兩個弧，和點(diǎn)A相交，掩護(hù)梁與后連桿的鉸點(diǎn)位于支 架將至中間某高度時的位置。通過同樣的辦法也能計(jì)算出支架在HMIN的時候掩 護(hù)鋼梁和后部連桿的絞接點(diǎn)位置A”（9）連接E”與A”、E”與A，現(xiàn)在以A”和A, 作為兩個圓的型心，把0.25L為半徑作兩個弧，有了兩個相交的點(diǎn)B”和B，則B、 B、B”分別是支架在HMAX、HMID和HMIN的時候前連桿與掩護(hù)梁的相鉸接的交 點(diǎn)。（10）連接OA、OA”（11 ）做

8、BB和BB”的垂平線，兩線的交點(diǎn)C即是前 連桿與底座連接點(diǎn)，BC就是前部連桿的長度。（12）過C點(diǎn)作H-H的垂線相交 的線，鉸點(diǎn)D的位置，如此，便可得出構(gòu)建的四連桿機(jī)構(gòu)的所有部件的位值。圖3四連桿幾何法圖解通過快速圖解并計(jì)算得到：前連桿BC=1.73m, CD=0.40m, OD=0.82m。3.3頂梁前端運(yùn)動精度驗(yàn)證對于連桿機(jī)構(gòu)的姿態(tài)解算問題，已經(jīng)有成熟的思路可以參考，主要依靠幾何 原理進(jìn)行姿態(tài)和空間位置的計(jì)算林福嚴(yán),苗長青.支撐掩護(hù)式液壓支架運(yùn)動位姿 解算J.煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(04):9 7-100.。在初步通過傳統(tǒng)做法快速得到四連 桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)后，需要進(jìn)一步對頂梁前端的垂向運(yùn)

9、動軌跡的線性精度進(jìn)行驗(yàn)證。 在四連桿機(jī)構(gòu)中有且僅有一個自由度，在各參數(shù)確定的條件下，各桿件之間的相 對位置是可以被唯一確定的，可以將四連桿機(jī)構(gòu)劃分為三個三角形，然后可以利 用三角函數(shù)關(guān)系，逐步確定每個桿件的空間位置。假設(shè)三角形三邊為a、b、c以 及對應(yīng)得角為匕A、匕B、匕C，那么就有：(5)如下圖4所示，利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法求得各值為：OA=400mm，OB=820mm， AD=1730mm，BC=1440mm，CD=470mm，CE=2510mm?？梢酝ㄟ^匕 CBF 作為出發(fā) 點(diǎn)逐步利用正余弦定理來研究頂梁前端得運(yùn)動軌跡。具體確定順序?yàn)椋好鎸υ搹?fù)雜得問題，利用MATLAB軟件中強(qiáng)大的Simuli

10、nk仿真模塊進(jìn)行建模， 完成仿真數(shù)據(jù)的可視化。圖4頂梁運(yùn)動軌跡校核幾何原理和Simulink仿真模型仿真模塊中主要子模塊包括利用正余弦定理進(jìn)行求邊或求角度的模塊，以及 一個利用三角形信息求解頂梁位置的模塊。由于Simulink中建模標(biāo)注的局限性， 圖中單個大寫字母代表四連桿機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)，圖中兩個連續(xù)大寫字母的組合代表 四連桿機(jī)構(gòu)三角形中的邊，三個連續(xù)大寫字母代表依次用線段連接這三個點(diǎn)行程 的內(nèi)角。圖5傳統(tǒng)圖解法的設(shè)計(jì)效果驗(yàn)證然后利用斜坡激勵信號替換匕CBF為輸入，弧度設(shè)置起點(diǎn)可以求解不同時刻 的條件下的E點(diǎn)坐標(biāo)x(t)和y(t)，利用MATLAB內(nèi)置繪圖指令plot進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化， 關(guān)聯(lián)參數(shù)t

11、,繪制得到以下的運(yùn)動軌跡圖如5所示。圖中黑色線條為頂梁的運(yùn)動軌 跡，紅色線條代表前后連桿和掩護(hù)梁，黑色虛線為前后連桿的運(yùn)行軌跡?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過圖解法設(shè)計(jì)的四連桿機(jī)構(gòu)不能控制調(diào)高過程中的水平偏差， 其偏差大于250mm,不滿足設(shè)計(jì)要求，所以需要進(jìn)一步對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，完 成校正設(shè)計(jì)。在這之前，需要對各參數(shù)對頂梁調(diào)高過程中的鉸點(diǎn)位置偏差進(jìn)行研 究。參數(shù)變化對頂梁水平運(yùn)動精度的影響通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，造成這種偏差的主要原因是因?yàn)檐壘€的傾斜角度太大， 所以在此設(shè)想是否可以通過改變底架對應(yīng)連桿AB的傾斜角度匕ABO,來使設(shè)計(jì)達(dá) 到預(yù)訂的要求，但是同時不能忽視其他因素的影響，所以需要選取以下的參數(shù)進(jìn) 行系

12、統(tǒng)的研究，分別是底架連桿的傾斜角匕ABO、底架連桿長度AB、前連桿長度 AD、后連桿長度BC、掩護(hù)梁鉸接長度CD和掩護(hù)梁總長CE。底座對應(yīng)連桿斜度因素Cheng?Jushan.A calculating method of stability for doubletelescopic props of hydraulic supports.J Shandong Univ Sci Technol,?11?(2)?(1992), pp.?39-43.在不改變其他參數(shù)的條件下，計(jì)算得到了底座斜度對調(diào)高精度的影響，即對 雙扭線的影響。依次向右的底架斜度的弧度匕ABO為0.3,0.31,0.32,.0.

13、5，發(fā)現(xiàn) 斜度為0.39-0.41rad的底座斜度，最有利與調(diào)高過程中水平方向的精度控制，利 用該參數(shù)作為項(xiàng)目最終設(shè)計(jì)。在采取該參數(shù)后通過對四連桿機(jī)構(gòu)對于地面的升降，可以有效的滿足各種設(shè)計(jì)約束。圖6底架斜度對雙扭線軌跡的影響（依次向右的底架斜度的弧度8為0.3,0.31,0.32,.0.5）（2）掩護(hù)梁總長度對雙扭線的影響從圖7中可以看出，隨著掩護(hù)梁的長度增加，在一定的范圍內(nèi)，雙扭線的線 性度和圓度會越來越好，通過簡單的數(shù)學(xué)分析可知，這是由于四連桿機(jī)構(gòu)的作用 使得掩護(hù)梁的回轉(zhuǎn)中心的變動引起的。如果將回轉(zhuǎn)中心的位置考慮為一個與連桿角度有關(guān)的誤差，此時掩護(hù)梁的運(yùn) 動將看作為固定半徑隨著有誤差的中心

14、回轉(zhuǎn)問題，但是由于四連桿機(jī)構(gòu)的約束， 回轉(zhuǎn)中心的絕對誤差是確定的李提建.液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡誤差分析 J.礦山機(jī)械,2019,47（08）:1-4.。所以隨著桿長的增加，掩護(hù)梁的總長和誤差之間 的比值將會越來越小，體現(xiàn)為大半徑下軌跡的圓度越來越好，相當(dāng)于線性度越來 越好。圖7掩護(hù)梁總長度對雙扭線的影響（3）掩護(hù)梁對應(yīng)連桿長度對頂梁運(yùn)行軌跡的影響圖8中紅色代表連桿，彩色表示端頭運(yùn)行軌跡，從圖中可以看出，隨著掩護(hù) 梁的長度增加，在一定的范圍內(nèi)，雙扭線的線性度和圓度會越來越好，通過簡單 的數(shù)學(xué)分析可知，這是由于四連桿機(jī)構(gòu)的作用使得掩護(hù)梁的回轉(zhuǎn)中心變動引起的。 如果將回轉(zhuǎn)中心的位置考慮為一個與連

15、桿角度有關(guān)的誤差，此時的掩護(hù)梁的運(yùn)動 將看作是固定的半徑隨著有誤差的中心回轉(zhuǎn)問題，但是由于四連桿機(jī)構(gòu)的約束， 回轉(zhuǎn)中心的絕對誤差是確定的。所以隨著桿長的增加，掩護(hù)梁的總長和誤差之間 的比值將會越來越小，體現(xiàn)為大半徑下軌跡的圓度越來越好，相當(dāng)于線性度越來 越好。圖8掩護(hù)梁對應(yīng)連桿長度對頂梁運(yùn)行軌跡的影響通過上圖發(fā)現(xiàn)，掩護(hù)梁對應(yīng)的連桿越長，其運(yùn)動曲線越平滑，當(dāng)設(shè)計(jì)軌跡太 平緩的時候，可以通過縮小對應(yīng)連桿的比例來優(yōu)化設(shè)計(jì)。該因素的影響等效于底 架底架對應(yīng)連桿的長度，都是通過減小或者增加掩護(hù)梁運(yùn)動中心的范圍來影響最 終運(yùn)動軌跡。5四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)校正通過仿真分析得出以下結(jié)論，在正四邊形機(jī)構(gòu)液壓支架的設(shè)計(jì)

16、中，可以快速 地通過圖解法、解析法等方法確定機(jī)構(gòu)比例長度。如果在運(yùn)動精度不滿足設(shè)計(jì)要 求的前提下，可以通過嘗試調(diào)節(jié)底架位置、掩護(hù)梁長度丁紹南.掩護(hù)式支架和 支撐掩護(hù)式支架中后連桿與掩護(hù)梁長度比值的探討J.阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué) 報,1987（02）:95-98.、前連桿長度、后連桿長度等方法來使設(shè)計(jì)滿足要求。在理論上，可以通過求出一個精確解來滿足設(shè)計(jì)要求，這是完全符合一個數(shù) 學(xué)問題和理論問題的答案的，但是這絕對不符合工程問題，機(jī)械加工需要考慮測 量精度及加工精度等問題，所以可以采用10mm作為工程加工的基本單位，最終 通過對結(jié)果的比較。將預(yù)設(shè)前后連桿鉸接點(diǎn)間距由原來0.5m調(diào)整為0.47m，將前 連桿和后連桿高度差由0.4m調(diào)整為0.42m,水平相距由0.82m調(diào)整為0.8m，改變 底座的傾斜角度，完全可以將頂梁的水平運(yùn)動精度約束在70mm以下。6結(jié)論本文主要對液壓支架連桿幾何特性進(jìn)行介紹，然后對液壓支架連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)該 具備的條件進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上利用傳統(tǒng)的解析法和圖解法進(jìn)行四連桿機(jī)構(gòu)參 數(shù)的快速確定，確定掩護(hù)梁總長2.51m,后連桿長度1.44,預(yù)設(shè)前后連桿鉸接點(diǎn)間距 0.5m，前連桿長度1.73m，和后連桿高度差0.4m,水平相距0.82m。利用四連