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液壓支架的分析優(yōu)化

文檔作者：盧小菊段瑾?jiǎng)? 文檔來(lái)源：太原鐵路機(jī)械學(xué)校		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月20日
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第5期(總第186期)
2014年1O月
機(jī)械工程與自動(dòng)化
MECHANICAL ENGINEERING 8乙 AUT0MAT10N
No．5
0ct．
文章編號(hào)：1672-6413(2014)05—0212—02
液壓支架的分析優(yōu)化
盧小菊，段瑾?jiǎng)?
(太原鐵路機(jī)械學(xué)校， 山西 太原030006)
摘要：液壓支架是煤礦機(jī)械化綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，對(duì)液壓支架設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越
高?，F(xiàn)在很多煤礦企業(yè)仍然停留在手動(dòng)優(yōu)化四連桿參數(shù)的階段，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的液壓支架頂梁軌跡擺幅大，并
且優(yōu)化工作耗時(shí)長(zhǎng)。介紹了液壓支架設(shè)計(jì)技術(shù)、流程。分析其運(yùn)動(dòng)軌跡和受力，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和平面力學(xué)分析
模型，采用多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型參數(shù)優(yōu)化的分析方法，對(duì)支架四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：液壓支架；優(yōu)化設(shè)計(jì)； 多目標(biāo)
中圖分類(lèi)號(hào)：TD355 ．4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
0 引言
液壓支架是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效綜合采煤機(jī)械化和自動(dòng)
化的重要配套設(shè)備，它以高壓液體為動(dòng)力，由金屬構(gòu)件
和若干液壓元件組成，與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、裝(轉(zhuǎn))
載機(jī)和乳化液泵站等配套使用，能實(shí)現(xiàn)支撐、切頂、移
架和推移輸送機(jī)等一整套工序[1 ]。本文所研究的液
壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析計(jì)算機(jī)應(yīng)用平臺(tái)，是為解決煤
炭行業(yè)的液壓支架存在的實(shí)際問(wèn)題，目的是在保證液
壓支架結(jié)構(gòu)、性能可靠性的前提下，通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行支
架總體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得最佳設(shè)計(jì)方案，并提
高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)液壓支架設(shè)計(jì)的自動(dòng)
化和數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)代化。
1 支架綜合分析模型
1．1 液壓支架綜合分析模型的建立
目前使用的液壓支架分為3類(lèi)，即支撐式、掩護(hù)式
和支撐掩護(hù)式r3]。支撐掩護(hù)式支架是在吸收了支撐式
和掩護(hù)式兩種支架優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種支
架，因此，它兼有支撐式和掩護(hù)式支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性
能，可適應(yīng)各種頂?shù)装鍡l件。
本文建立了液壓支架綜合分析通用模型，并假設(shè)
支架各構(gòu)件為剛性鉸接結(jié)構(gòu)，令坐標(biāo)系為OXY，各結(jié)
構(gòu)參數(shù)如圖1所示，并設(shè)P 為各千斤頂?shù)墓ぷ髯枇Α?
1．2 液壓支架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
1．2．1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析公式的建立
在圖1中，a， ，)，分別為后連桿、掩護(hù)梁、前連桿
的水平傾角；(X，，Y，)為P點(diǎn)坐標(biāo)； 為AP和AB間
的夾角； 為AC和AD 間的夾角； 為AB和AD 間
的夾角；L。為AD長(zhǎng)度；L ，L。和L 分別為桿AC，
AB和BD 的長(zhǎng)度；O為運(yùn)動(dòng)瞬心壓力角； 。和d分別
為CD 的水平傾角與長(zhǎng)度；(X。 ，Yo )為瞬心O。的坐
標(biāo)。四連桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)極限位置為O／max和‰ ：
O／max 丌一~po- O／e'
O／rain 一丌一 0一a ·
其中? 一arcos( 一
，(L +L。)。+d。一L：、
∞ — 。
圖1 j硬壓支架綜合分析通用模型
令液壓支架任意工作高度為H：
H一^4+ 5+L1 sina+L2 sin(rio+J8l+ -O／)． (1)
1．2．2 以高度為自變量的模型處理
支架工作高度H 的變化會(huì)引起支架四連桿機(jī)構(gòu)
幾何運(yùn)動(dòng)參數(shù)和支架力學(xué)特性的一系列變化，工程應(yīng)
用中也習(xí)慣要求知道某一確定高度時(shí)支架的運(yùn)動(dòng)學(xué)、
力學(xué)參數(shù)，因此本文采用以支架工作高度為自變量的
優(yōu)化分析方法。
由公式(1)可知，要以H 為自變量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分
析，只要求解超越方程H一廠(a)即可實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一般
的支架四連桿機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)， 處支架不一定工作在最低
高度，O／max處支架不一定工作在最高高度。但是，在該
收稿日期：2014—05—30；修回日期：2014—06—10
作者簡(jiǎn)介：盧小菊(1984一)，女，重慶人，講師，工程碩士，主要從事機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究和教學(xué)工作。
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2014年第5期 盧小菊，等：液壓支架的分析優(yōu)化 · 213 ·
區(qū)間一定存在唯一使H取極大值和極小值的兩個(gè)點(diǎn)
Ot 和aM。若把[a，，O／M]作為方程根的搜索區(qū)間，則一定
能保證根的唯一性。采用一維最優(yōu)化算法如0．618法
可以求出與支架理論高度區(qū)間[ ， ]對(duì)應(yīng)的[a ，aM]。
即：minf(a)求出Otf，h J；minl--f(a)-]求出口M，hM。
液壓支架實(shí)際高度[^。。，his]僅是[^，， M]的子區(qū)
問(wèn)[4 ]。在單調(diào)區(qū)間[a ，aM]求解超越方程也可用一維
最優(yōu)化方法求解，從而統(tǒng)一簡(jiǎn)化程序，即：mini-H—f
(a)]。求出此時(shí)的口。
1．3 液壓支架受力分析
1．3．1 分析模型
液壓支架平面力學(xué)分析是以運(yùn)動(dòng)學(xué)分析為前提
的，在數(shù)據(jù)錄入階段，依據(jù)選擇的架型，設(shè)置不同的力
學(xué)相關(guān)參數(shù)。通過(guò)編制計(jì)算機(jī)程序，輸入各種參數(shù)，可
得出支架在每個(gè)高度時(shí)各部件的受力大小以及支架從
高到低變化時(shí)各所求參數(shù)的變化曲線，從而找出每個(gè)
部件受力最大時(shí)的相應(yīng)高度。在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，按
此最大力進(jìn)行校核。
1．3．2 力學(xué)公式的建立
為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，假設(shè)支架頂梁所受外載荷的大小為
Q，方向與頂梁正交，縱向水平載荷的大小為 Q。由
牛頓第三定律可知，Q亦為頂粱對(duì)底梁的反作用力，即
液壓支架的承載能力。
液壓支架力學(xué)分析通用程序具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖2。
2 液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2．1 分析模型
液壓支架四連桿機(jī)構(gòu)性能目標(biāo)和重量目標(biāo)很難同
時(shí)達(dá)到各自意義下最優(yōu)。運(yùn)動(dòng)性能達(dá)到最優(yōu)時(shí)，無(wú)法
保證四連桿機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)最佳或者成本最低；反之
亦然。下面以復(fù)合型的優(yōu)化算法為例來(lái)說(shuō)明支架四連
桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立、優(yōu)化方法
的選擇和優(yōu)化實(shí)例的計(jì)算過(guò)程[6]。
由支架四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析可知，影
響四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸、受力狀態(tài)及各項(xiàng)性能指標(biāo)的
主要參數(shù)有L ( 一1，2，? ，6)和 共7個(gè)變量?？蛇x
擇這些參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，X—r-L ，L。，L。，L ，
L5，L6， ]一Ix1，X2，X3，X4，X5，X6，X7]。
采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，各分目標(biāo)函數(shù)如下：
(1)以桿長(zhǎng)的加權(quán)和為目標(biāo)，即：
f (x)===Σ x
f一1
其中： 為各桿單位長(zhǎng)度的重量。
(2)以桿力的絕對(duì)值之和為目標(biāo)，即：
f2(X)一I Nr(X)I+I N (X)1．
其中：N，和N 分別為桿L。和L 所受的作用力。
(3)以護(hù)梁最大彎矩為目標(biāo)，即：
f3==：max{M，(X)； 一1，2，3，4}．
其中：M，為各桿受到的彎矩。
采用線性組合加權(quán)的方法建立一個(gè)多目標(biāo)評(píng)價(jià)函
數(shù)，即：
3
min F(z)一> ∞^f (x)．
= 1
其中：∞ 為加權(quán)因子，它使各目標(biāo)函數(shù)值到達(dá)同一數(shù)
量級(jí)。
性能約束條件如下：
(1)頂梁端點(diǎn)最大水平變動(dòng)量小于許用值
[△X ]，即：
g (X)=[△X ]一△X (X)≥O．
(2)掩護(hù)梁水平傾角滿足條件[ ]≥ (X)≥
[ i ]，即：
gz(X)一[ ]一盧(X)≥0．
g。(X)一 (X)一[ i ]≥0．
(3)前連桿水平傾角滿足條件[y腳 ]≥y(X)≥
[ymi ]，即：
g (X)一[y?]一y(X)≥O．
g5(x)一y(x)一[)， ]≥0．
(4)后連桿水平傾角滿足條件[a ]≥Ot(X)≥
[a i ]，即：
g6(X)一[a ]一a(X)≥O．
g (X)一a(x)一[口 i ]≥O．
(5)瞬心o 與P點(diǎn)的連線同水平線的夾角滿足
條件：
g8(X)一Eo ]-0(X)≥0．
(6)P點(diǎn)與前連桿固定鉸點(diǎn)D 間的水平距離滿足
條件：
g。(X)：Ix ]一Ls～EAx。]≥0
其中：[△x。]為P點(diǎn)的橫坐標(biāo)增量。
(7)掩護(hù)梁兩銷(xiāo)孔間的距離滿足條件：
g1。(X)==：L。一EL ]≥0．
(8)座底兩銷(xiāo)孑L間的距離，即：
g11(X)一L6一EL6min]≥0．
(9)保證前連桿上鉸點(diǎn)在掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)內(nèi)，即：
L ， V 、
g12(x)一arcsin[ ]一 ≥0．
J 3
其中：h。(X)為A和D 兩點(diǎn)間的垂直距離。
共12個(gè)約束條件，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可依據(jù)實(shí)際
情況選取，方括號(hào)內(nèi)為各變量允許值。這樣，由設(shè)計(jì)變
量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三個(gè)部分的總和構(gòu)成了液壓
支架四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。
2．2 優(yōu)化方法及優(yōu)化程序設(shè)計(jì)
支架四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化是一個(gè)非線性優(yōu)化問(wèn)題，
本文采用復(fù)合型法進(jìn)行求解。圖3為液壓支架四連桿
優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。
／輸入支架的機(jī)構(gòu)尺寸／
●
調(diào)用 霧黎 莩 序
●
調(diào)用各龕 化數(shù)學(xué)模型
●
(輸出優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果)
圖2 液壓支架力學(xué)分析 圖3 支架四連桿優(yōu)化
通用程序計(jì)算流程圖 設(shè)計(jì)流程圖
(參考文獻(xiàn)和英文摘要轉(zhuǎn)第215頁(yè))
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2014年第5期 機(jī)械工程與自動(dòng)化 · 215 ·
式提升機(jī)按30 t／h選用。
表2 破碎機(jī)前、后加裝篩子的優(yōu)缺點(diǎn)
名稱(chēng) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)
增設(shè)一級(jí)篩分裝置，使粒度較小的原煤不再 破碎機(jī)所在層高
經(jīng)過(guò)破碎機(jī)，而直接進(jìn)入下一級(jí)帶式運(yùn)輸 9．5 ITI，破碎機(jī)下
輸煤 機(jī)，從而避免小于或等于鍋爐燃料粒度要求 2級(jí)篩所在層高
系統(tǒng) 的原煤產(chǎn)生過(guò)粉碎。在破碎機(jī)出口增設(shè)2 8．0 m，受空間局
改造 級(jí)篩，從而保證超過(guò)入爐粒度要求的煤不會(huì) 限，增設(shè)篩分裝
進(jìn)入鍋爐。保證了入爐煤的粒度要求。在 置后對(duì)設(shè)備檢修
現(xiàn)有破碎機(jī)室內(nèi)增設(shè)篩分裝置，投資較小 有一定影響
1．3 破碎機(jī)室布置
l級(jí)篩布置在AUBEMA 可逆錘擊式破碎機(jī)人口
前，2級(jí)篩布置在破碎機(jī)出口下方，4#皮帶機(jī)頭位置
及驅(qū)動(dòng)裝置保持不變，在4#皮帶機(jī)頭部增設(shè)帶式除
鐵器。為防止鐵件進(jìn)入篩碎系統(tǒng)，將4#皮帶上的卸
料器及落煤管拆除。兩臺(tái)齒輥式破碎機(jī)需要拆除，將
破碎機(jī)的落煤孔洞進(jìn)行封堵。1級(jí)篩的篩下物落煤管
需要在破碎機(jī)所在樓層重新開(kāi)洞。2級(jí)篩下物進(jìn)入
5#皮帶，5#皮帶尾部需向后延長(zhǎng)。
1．4 返料及外排
2級(jí)篩篩上物經(jīng)過(guò)給料機(jī)進(jìn)人斗式提升機(jī)，斗式
提升機(jī)出口設(shè)置分流三通。三通一路回到4#皮帶實(shí)
現(xiàn)返料，一路進(jìn)入矸石倉(cāng)實(shí)現(xiàn)外排。矸石倉(cāng)布置在破
碎機(jī)室外4#皮帶機(jī)廊道下方，矸石倉(cāng)下考慮車(chē)輛進(jìn)
出，外運(yùn)矸石。斗式提升機(jī)設(shè)置在破碎機(jī)室外。
1．5 檢修起吊方案
根據(jù)設(shè)備布置要求，在1級(jí)篩和2級(jí)篩上設(shè)置手
動(dòng)葫蘆，用于檢修。
齒輥式破碎機(jī)拆除后，用于齒輥式破碎機(jī)的起吊
設(shè)備拆除。
根據(jù)余吾熱電運(yùn)行情況，破碎機(jī)檢修時(shí)只需打開(kāi)
破碎機(jī)機(jī)殼，不需要考慮錘頭從上方起吊，拆除錘頭中
心線上方用于起吊錘頭的電動(dòng)葫蘆。
1．6 防堵煤措施
為防止堵煤，在1級(jí)篩落煤管和矸石倉(cāng)上設(shè)置振
打裝置。
2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
改造完成后飛灰含碳量預(yù)計(jì)可降低4．65％ 質(zhì)量
分?jǐn)?shù)，而飛灰含碳量每降低1 ，煤耗可降低0．7 g／
kWh，按照每年發(fā)電14億kwh計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)
煤約4 550 t。
3 總結(jié)
本方案在破碎機(jī)進(jìn)出煤位置分別加裝1、2級(jí)篩
子，對(duì)人爐煤進(jìn)行粒度大小篩分。這樣，不僅解決了入
爐煤粒度大小不確定問(wèn)題，而且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可
靠性；降低了入爐煤對(duì)破碎機(jī)的破壞，延長(zhǎng)了設(shè)備的使
用壽命，使設(shè)備的維護(hù)量減小，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，
節(jié)約了能源，為降低廠用電率提供了良好的途徑。
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Reform of Sieving Device in Coal Handling System
W ANG Pei-xin，CHEN Dong-yang
(Shanxi Lu’an Yuwu Thermoelectricity Limited Liability Company，Changzhi 046100，China)
Abstract：The No．1 and No．2 sieves are added before and behind the coal crusher in coal handling system，to solve the problem that
iS the over breaking and incomplete broken of the coal into the furnace．
Key words：crusher；screening system ；gangue granularity
(上接第213頁(yè))
參考文獻(xiàn)：
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Analysis and Optim ization of Hydraulic Support
LU Xiao-ju，DUAN Jin-gang
(Taiyuan Railway Machinery School，Taiyuan 030006，China)
Abstract：Hydraulic support is the key equipment of mine mechanization mechanized mining face． W ith the development of
mechanized mining technology，the demand for hydraulic support design is higher．This paper describes the design technology and
process of hydraulic support，analyzes its trajectory and force，and establishes the kinematic and planar mechanical analysis mode1．
Using method of multi-objective mathematical model parameter optimization，it optimizes the design of four-bar linkage．
Key words：hydraulic support；optimization；multiple objective

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