关于矿用液压支架四连杆机构运动过程的分析

侯丽嫚

（大同市同煤集团机电装备公司中央机厂， 山西 大同 037000）

引言

现有的先进计算机科学技术已普遍应用于煤矿设备的设计、制造、监测中，例如可视化编程技术、数据库技术在液压支架连杆结构参数的设计上已得到了较好的运用。由于井下作业工况复杂多变，液压支架作为采煤作业时的主要受载设备，其结构参数是否合理决定着采煤作业的效率和安全，因此文章基于C++可视化编程语言，对液压支架的四连杆机构参数进行了运动学仿真和设计，获取连杆机构的运动规律，并得到了参数设计结果。该方法具有的优点是：程序编写和测试完成后，再进行同类型的连杆设计时，只需修改相应的约束参数即可获得设计结果，计算成本小且计算速度快，也对其他煤矿设备的结构参数设计具备一定的借鉴意义[1]。

1 液压支架四连杆机构的运动学简析

目前通常采用两个参数为前提来进行运动学分析：以液压支架的工作高度为基础、以后连杆与水平方向夹角大小的改变量为基础。根据现有研究的结果表明，液压支架的工作高度对整个结构系统影响尤为重大，一般来说液压支架的工作高度发生改变后，四连杆机构的运动学参数会产生较大幅度的变化，同时各连杆的受力状态也会发生大幅改变。因此，要对液压支架进行运动学分析，首先就是对液压支架的工作高度作出必要的分析[2]。

液压支架四连杆机构的工作简图如图1所示，对各个杆件的参数或运动参数进行必要的标记。四连杆机构在支架高度由最小至最大的过程中，必须满足以下一系列的轨迹方程：

图1 液压支架结构运动简图

图1中：O为液压支架四连杆机构的速度瞬心；H为液压支架的工作高度；α为掩护梁与水平方向的夹角；E为掩护梁上铰点；θ为线段OE与水平方向的夹角；H0为掩护梁与顶梁之间的距离；α1、α2为前连杆、后连杆与竖直方向的夹角；L1、L2分别为前后连杆的长度；L3为前后连杆铰点之间的距离；L4为掩护梁长度；L18为连杆铰点至掩护梁铰点间的距离[3]。

计算液压支架四连杆机构横向运动位移的公式为：

O点作为机构的速度瞬心，同时也是顶梁与掩护梁铰接点做双纽线复杂曲线运动的曲率中心。线段OE与水平方向的倾角越小，E点在横向的运动位移幅度也越小，反之亦然。根据已有研究表明，E点横向位移幅度与线段OE和水平方向的夹角成比例关系。

计算前后连杆铰点位移的方程如下：

将二者联立后可确定机构速度瞬心的位置：

需要说明的是液压支架高度在工作过程中不断循环往复变化，当其从最小变至最大时，机构的运动路径与铰点E的运动位置存在一一对应的关系。因此，从理论上我们可以通过E点的运动方程来分析整个四连杆机构的运动参数。例如当E点空间位置确定后，即可确定机构速度瞬心O的位置。

2 四连杆机构运动仿真模型的建立

图2所示为四连杆机构的运动仿真几何模型。

图2 四连杆机构运动仿真几何模型

图2中各参数意义解释：a为后连杆长；b为前连杆、后连杆分别与掩护梁E'点的距离差；c为前连杆长；d为两连杆间在竖直方向上的距离；e为两连杆间在水平方向上的距离；e1为后连杆、掩护梁在水平方向上的距离；f为前连杆与顶梁的距离；t为掩护梁长。

运动仿真模型的建立主要分为三部分，分别是：设计变量的确定；目标函数的建立；约束条件的设定。

1）设计变量的确定。如图2所示，四连杆机构的运动仿真包含 8 个结构几何参量：a、b、c、d、e、f、g、e1，其中t为b与f之和，将其作为本次计算的优化变量，则有X=[a b c d e f]=[X1X2X3X4X5X6]。

2）建立目标函数。可表示为：minf（X）=min（max|XT-XK|）

3）设定运动仿真的约束条件。要求E点横向位移最小，则有g1（x）=ΔXe-[ΔXe]≤0；要求前后连杆铰点在竖直方向上的距离，则有g2（x）=X4-[X4]≤0；要求前后连杆铰点在水平方向上的距离，则有g3（x）=X5-[X5]≤0；要求掩护梁在支架高度最高时与水平方向的夹角，则有g4（x）=β1-[β1max]≤0；要求后连杆在支架高度最高时的水平倾角，则有g5（x）=ω1-[ω1max]≤0；

3 四连杆机构运动仿真的程序设计

借助于C++610软件连杆机构的运动学仿真，C++610是一个逻辑性与快捷性并存的程序软件，在本文里软件主要用于运动学仿真模型的建立及负责计算结果，主要包含以下内容：

1）设计主要用于分析机构中各点的运动轨迹、运动幅度和结构参数的选用、确定。为了提高软件的计算速度和界面清晰程度，决定采用参数输入、计算显示、结果输出这三种大类的模块。输入参数包含第2节中介绍的结构参数，例如支架的最大高度、最小高度、前后连杆长度、掩护梁在水平方向上的倾角、连杆间的距离、连杆到顶梁的距离等，输入参数后程序根据设计变量、约束条件、目标函数等的建立自动计算出结果，并将结果存储表控件内，随后根据程序的作图显示功能，将计算结果以曲线或图像的形式直观的显示出来。同时为了方便存储、下载、移动等功能，输出模块将计算结果同时以表格、文本等多种格式进行保存，方便工作人员进行后续处理[4]。

2）设计程序的运行逻辑，包含计算、接口两个模块。计算包含内置的计算程序，仿真设置程序，接口包括输入、输出的接口，与用户交互的窗口，如图3所示。

图3 四连杆运动仿真及参数设计程序运行逻辑

图4 四连杆机构速度瞬心在空间内的变化

3）四连杆机构运动仿真及参数设计程序的应用界面设计。该界面主要通过C++610的对话框功能设计，使得参数能够在用户与程序之间自由地交换、显示、计算。通过计算结果中的列表数据来分析实时的机构运动情况，程序在计算过程中对于参数的改变无法识别，即不允许在运行时改变参数。计算结果以二维坐标的曲线图等形式显示在作图区域，如若选中一组计算结果曲线，则会在曲线右方显示计算程序和过程，方便设计者查看是否存在问题。图4所示为四连杆机构的速度瞬心在平面内的位置变化，随后在曲线右方即可对轨迹曲线进行分析，将曲线结果以列表和文本等形式保存。

4 结语

1）四连杆机构的速度瞬心在空间位置中的变化表明了计算结果的准确性。

2）本文的分析方法对于计算液压支架四连杆机构的运动轨迹、更改参数、优化设计参数方案及计算支架受载、构件受力等方面都具有重要的指导作用。