液压支架的分析优化.pdf

第 5 期 总第 1 8 6期 2 0 1 4年 1 O月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG 8 乙 AUT0MAT1 0N No ．5 0c t ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 4 0 5 0 2 1 2 0 2 液压支架的分析优化 卢 小菊 ，段瑾 刚 太原铁路机械 学校 ，山西 太原0 3 0 0 0 6 摘要 液压支架是煤矿机械化 综采 工作 面的关键 设备 ，随着综采技 术的发展，对液压 支架设计的要求越来越 高 。现在很 多煤矿企 业仍然停 留在 手动优化 四连 杆参 数的阶段，导致设 计 出的液压支架顶梁轨迹摆幅大 ，并 且优化工作耗 时长 。介绍 了液压支架设计技术 、流程 。分析其运 动轨迹和 受力，建立运 动学和平 面力学分析 模 型，采用 多 目标数 学模 型参数优化 的分析 方法，对 支架 四连杆机构进行 了优化设计。 关键词 液压支架 ；优化设计 ；多 目标 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 文献标识码 B 0 引言 液压支架是实现高产高效综合采煤机械化和 自动 化的重要配套设备 ， 它以高压液体为动力 ， 由金属构件 和若干液压元件组成 ， 与采煤机、 刮板输送机 、 装 转 载机和乳化液泵站等配套使用， 能实现支撑 、 切顶 、 移 架和推移输送机等一整套工序[ 1 ] 。本文所研究的液 压支架优化设计与分析计算机应用平 台， 是为解 决煤 炭行业的液压支架存在的实际问题 ， 目的是在保 证液 压支架结构、 性能可靠性 的前提下 ， 通过该平 台进行支 架总体结构参数的优化设计 ， 获得最佳设计方案 ， 并提 高设计、 生产的质量和效率 ， 实现液压支架设计的 自动 化和 数据 管理 的现 代化 。 1 支架 综合 分析模 型 1 ． 1 液 压 支架综合 分 析模 型的 建立 目前使用的液压支架分为 3 类 ， 即支撑式、 掩护式 和支撑掩护式r 3 ] 。支撑掩护式支架是在吸收了支撑式 和掩护式两种支架优点 的基础 上发展起来 的一种支 架 ， 因此 ， 它兼 有支撑 式 和掩护 式支 架 的结构 特点 和性 能 ， 可适应 各种 顶底 板条 件 。 本文建 立 了液压 支 架 综 合 分 析 通用 模 型 ， 并 假 设 支架各构件为刚性铰接结构 ， 令坐标系为 OXY ， 各结 构参数如图 1 所示 ， 并设 P 为各千斤顶的工作阻力 。 1 ． 2 液压 支架运动 学 分析 1 ． 2 ． 1 运 动学 分析公 式 的建立 在图 1中， a ， ， ， 分别 为后连杆 、 掩 护梁 、 前连杆 的水平倾角； X， ， Y ， 为 P点坐标 ； 为 AP和AB间 的夹角 ； 为 AC和AD 间的夹角； 为 AB和 AD 间 的夹角； L 。为 AD 长度 ； L ， L 。和 L 分别 为杆 AC， AB和 B D 的长度 ； O为运动瞬心压力角 ； 。和 d分别 为 C D 的水 平 倾 角 与 长 度 ； X。 ， Y o 为 瞬心 O 。的 坐 标 。四连杆机构的两个极限位置为 O ／ m a x 和 ‰ O／ m a x 丌一 p o -- O／ e O／rai n 一丌 一 0一a 其 中⋯一 a r c o s 一 ， L L 。 。 d 。 一L 、 ∞ 。 图 1 j 硬压 支 架 综 合 分 析 通 用模 型 令 液压 支架 任 意工作 高度 为 H H一 4 5 L 1 s i n a L 2 s i n ri o J8 l --O／ ． 1 1 ． 2 ． 2 以高度为 自变量的模型处理 支架工作高度 H 的变化会 引起支架 四连杆机构 几何运动参数和支架力学特性的一系列变化 ， 工程应 用 中也习惯要求知道某一确定高度时支架 的运动学、 力学参数， 因此本文采用 以支架工作高度为 自变量的 优 化分 析方 法 。 由公式 1 可知， 要以 H 为 自变量进行运动学分 析 ， 只要求解超越方程 H一厂 a 即可实现 。对于一般 的支架四连杆机构来说 ， 处支架不一定工作在最低 高度， O／ m a x 处支架不一定工作在最高高度。但是 ，在该 收稿日期2 0 1 4 0 5 3 0 ；修回日期2 0 1 4 0 6 1 0 作者简介 卢小菊 1 9 8 4 一 ，女 ，重庆人 ，讲师 ，工程硕士 ，主要从 事机械优化设计 的研究和教学工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 5期 卢小菊， 等 液压支架的分析优化 2 1 3 区间一定存在 唯一使 H 取极大值和极小值 的两个点 O t 和 a M。若把[ a ， ， O ／ M ] 作为方程根的搜索 区间， 则一定 能保证根的唯一性 。采用一维最优化算法如 0 ． 6 1 8法 可以求 出与支架理论高度区间[ ， ] 对应 的[ a ， a M ] 。 即 mi n f a 求出 O t f ， h J ； mi n l- --f a -] 求出 口 M， h M。 液压支架实际高度[ 。 。 ， h i s ] 仅是[ ， ， M ] 的子 区 问[ 4 ] 。在单调区间[ a ， a M ] 求解超越方程也可用一维 最优化方法求解 ， 从而统一 简化程序 ， 即 mi n i- Hf a ] 。 求出此时的 口 。 1 ． 3液压 支架 受力分 析 1 ． 3 ． 1 分 析模 型 液压支架平 面力学分析 是 以运 动学分析 为前提 的， 在数据录入阶段 ， 依据选择 的架型 ， 设置不 同的力 学相关参数 。通过编制计算机程序 ， 输入各种参数 ， 可 得出支架在每个 高度时各部件的受力大小以及支架从 高到低变化时各所求参数的变化曲线， 从而找出每个 部件受力最大时的相应 高度 。在进 行强度校核 时， 按 此 最 大力进 行 校核 。 1 ． 3 ． 2 力学公式的建立 为简便起见， 假设支架顶梁所受外载荷的大小为 Q， 方向与顶梁正交 ， 纵 向水平载荷 的大小为 Q。由 牛顿第三定律可知 ， Q亦为顶粱对底梁 的反作用力 ， 即 液 压 支架 的 承载 能力 。 液压支架力学分析通用程序具体计算过程见图 2 。 2 液压支架四连杆机构的优化设计 2 ． 1 分析 模 型 液压支架 四连杆机构性能 目标和重量 目标很难 同 时达 到各 自意义 下 最优 。运 动 性 能 达 到 最 优 时 ， 无 法 保证 四连杆机构的受力状态最佳或者成本最低； 反之 亦然 。下面以复合型的优化算法为例来说明支架四连 杆机构结构参数优化设计数学模型的建立、 优化方法 的选择和优化实例的计算过程[ 6 ] 。 由支 架 四连 杆机 构 的运 动 学 和 力 学 分 析 可 知 ， 影 响 四连杆 机 构结 构 尺寸 、 受 力状 态 及 各 项 性 能 指 标 的 主要参 数 有 L 一1 ， 2 ， ⋯ ， 6 和 共 7个 变 量 。可 选 择这些参数作 为优 化设计变量 ， Xr- L ， L 。 ， L 。 ， L ， L 5 ， L 6 ， ] 一I x1 ， X2 ， X3 ， X4 ， X5 ， X6 ， X7 ] 。 采用多 目标优化设计 ， 各分 目标函数如下 1 以杆长 的加权 和为 目标 ， 即 f x ∑ x f 一 1 其 中 为各杆单位长度的重量。 2 以杆力 的绝对值之和为 目标 ，即 f 2 X 一 I Nr X I I N X 1． 其 中 N， 和 N 分别为杆 L。 和 L 所受的作用力 。 3 以护梁最大弯矩为 目标 ， 即 f 3 ma x { M， X ； 一1 ， 2， 3 ， 4}． 其中 M， 为各杆受到的弯矩 。 采用线性组合加权的方法建立一个多 目标评价函 数 ， 即 3 mi n F z 一 ∞ f x． 1 其 中 ∞ 为加权 因子， 它使各 目标 函数值 到达同一数 量 级 。 性能约束条件如下 1 顶 梁 端 点 最 大 水 平 变 动 量 小 于 许 用 值 [ △ X ] ， 即 g X [ △ X ] 一△ X X ≥O． 2 掩 护梁水平倾 角满 足条件 [ ] ≥ X ≥ [ i ] ， 即 g z X 一[ ] 一卢 X ≥0． g 。 X 一 X 一[ i ] ≥0． 3 前连杆水 平倾 角满 足条件[ y 脚 ] ≥y X ≥ [ y m i ] ， 即 g X 一[ y ⋯ ] 一y X ≥O． g 5 x 一y x 一[ ， ] ≥0 ． 4 后连杆水 平倾 角满足 条件 [ a ] ≥O t X ≥ [ a i ] ， 即 g 6 X 一[ a ] 一a X ≥O． g X 一a x 一[ 口 i ] ≥O． 5 瞬心 o 与 P点 的连线 同水平线 的夹角满足 条件 g 8 X 一E o ] --0 X ≥0． 6 P点与前连杆固定铰点D 间的水平距离满足 条件 g 。 X I x ] 一L s ～E A x。 ] ≥0 其 中 [ △ x。 ] 为 P点的横坐标增量。 7 掩护梁两销孔间的距离满足条件 g 1 。 X L 。 一E L ] ≥0 ． 8 座底两销孑 L 间的距离 ， 即 g 1 1 X 一L 6 一E L 6 m i n ] ≥0． 9 保证前连杆上铰点在掩护梁结构 内， 即 L， V、 g 1 2 x 一a r c s i n [ ] 一 ≥0 ． J 3 其 中 h 。 X 为 A和 D 两点间的垂直距离 。 共 1 2个 约束条件， 具体优化设计时， 可依据实际 情况选取 ， 方括号 内为各变量允许值 。这样 ， 由设计变 量 、 目标函数和约束条件三个部分 的总和构成 了液压 支架 四连杆机构优化设计的数学模型。 2 ． 2 优 化 方法及 优化 程序 设计 支架 四连杆机 构 的优 化 是一 个 非 线 性 优 化 问 题 ， 本文 采用 复合 型法 进 行求解 。图 3为液 压支架 四连杆 优化设计流程 图。 ／输入支架的 机构尺寸／ ● 调 用 雾 黎 莩 序 ● 调 用各 龛 化 数 学 模 型 ● 输出 优化设计结果 图 2 液压 支架力学分析 图 3 支架四连杆优化 通用程序 计算 流程图 设计流程 图 参考文献和英文摘要转第 2 1 5页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 5期 机 械 工 程 与 自 动 化 2 1 5 式提 升机 按 3 0 t ／ h选用 。 表 2 破 碎机前、 后 加装筛子的优缺点 名称 优点 缺点 增设 一级筛 分装置 ， 使粒 度较小 的原煤不 再 破碎机所在 层高 经过破 碎 机 ， 而 直接 进 入 下 一 级带 式 运 输 9 ． 5 I T I ， 破碎机下 输煤 机 ， 从而避免小于或等于 锅炉燃料 粒度要 求 2级 筛所 在层 高 系统 的原煤 产生 过 粉碎 。在 破碎 机 出 口增 设 2 8 ． 0 m， 受空间局 改造 级筛 ， 从 而保证 超过入炉粒 度要求 的煤不 会 限 ， 增 设 筛 分 装 进入锅 炉 。保 证 了入 炉煤 的粒 度要 求 。在 置后对设备 检修 现有 破碎机室 内增设筛分装置 ， 投资较小 有一定影响 1 ． 3破 碎 机 室 布 置 l 级筛布置在 AUB E MA 可逆锤击式破碎机人 口 前 ， 2级筛布置在破碎机 出口下方 ，4 皮带机头位置 及驱动装置保持不变 ， 在 4皮带机头部增设带式 除 铁器。为防止铁件进入筛碎系统 ， 将 4 皮带上的卸 料器及落煤管拆除。两 台齿辊式破碎机需要拆 除， 将 破碎机的落煤孔洞进行封堵 。1 级筛的筛 下物落煤管 需要在破 碎机所 在楼层 重新开 洞。2级筛 下物进 入 5 皮 带 ， 5 皮带 尾部 需 向后 延长 。 1 ． 4返 料及 外排 2级筛筛上物经过给料机进人斗式提升 机， 斗式 提升机出口设置分流三通 。三通一路 回到 4 皮带实 现返料 ， 一路进入矸石仓实现外排 。矸石仓布置在破 碎机室外 4 皮带机廊道下方 ， 矸石仓下考虑车辆进 出 ， 外运 矸石 。斗式 提升 机设 置在 破 碎机 室外 。 1 ． 5检 修起 吊方 案 根据设备布置要求 ， 在 1级筛 和 2级筛上设置手 动葫 芦 ， 用 于检 修 。 齿辊式破碎机拆 除后 ， 用于齿辊式破 碎机的起 吊 设备拆除。 根据余吾热电运行情况， 破碎机检修时只需打开 破碎机机壳 ， 不需要考虑锤头从上方起 吊， 拆除锤头中 心线 上方 用 于起 吊锤头 的电动葫 芦 。 1 ． 6防堵煤 措施 为防止堵煤 ， 在 1 级筛落煤管和矸石仓上设置振 打装置。 2 技术 经济 指标 改造完成后飞灰含碳量预计可降低 4 ． 6 5 ％质量 分数 ， 而飞灰含碳量每 降低 1 ， 煤耗可 降低 0 ． 7 g ／ k Wh ， 按照每年发电 1 4亿 k wh计算 ， 每年可节约标准 煤约 4 5 5 0 t 。 3 总 结 本方案在破碎机进 出煤位置分别 加装 1 、 2级筛 子 ， 对人炉煤进行粒度大小筛分 。这样 ， 不仅解决了入 炉煤粒度大小不确定问题 ， 而且提高 了系统运行 的可 靠性 ； 降低了入炉煤对破碎机的破坏， 延长了设备的使 用寿命 ， 使设备 的维护量减小 ， 改善 了系统的经济性 ， 节约了能源， 为降低厂用 电率提供 了良好 的途径 。 参考文献 [ 1 ] 张保全 ， 尹项根． 电力 系统继 电保 护[ M] ． 北京 中国电力 出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 陈家斌 ， 张露江． 继 电保护 、 二次 回路 、 电源故障处理 方法 及典型 实例 [ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 高亮． 电力系统微机继电保护[ M] ． 北京 中国电力出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 唐 志平 ． 供配 电技术[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 5 ] 王 玉华 ， 赵 志英． 工 厂供 配 电 [ M] ． 北 京 中国林 业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 曹孟州． 供配电设备运行、 维护与检修[ M] ． 北京 中国电 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i c a l mo d e l p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n，i t o p t i mi z e s t h e d e s i g n o f f o u r - b a r l i n k a g e ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o r t ；o p t i mi z a t i o n；mu l t i p l e o b j e c t i v e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m