基于Creo的五連桿式液壓支架力學特性分析與連桿參數(shù)優(yōu)化

龐曉亮，徐亞軍

(1.煤炭科學研究總院開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

1 概 述

液壓支架作為煤礦綜采工作面的關鍵設備，承擔著支護工作面頂板、保障人員和設備安全的重要任務。在實際生產(chǎn)中，四連桿式液壓支架因其具有調(diào)高幅度大、抗扭能力強、擋矸裝置完善等優(yōu)點而得到廣泛應用[1-4]。但是隨著開采高度的增加和工作面支護技術的發(fā)展，四連桿式液壓支架的缺點開始逐漸暴露出來。

首先，對于大采高液壓支架，由于支架調(diào)高幅度過大，當支架處于低位時(高架低用)，掩護梁背角較小，堆積在掩護梁上的矸石不易滑落。當掩護梁上的矸石密實接頂時，掩護梁會出現(xiàn)承載現(xiàn)象，支架上方的合力作用點向采空區(qū)方向移動，支架容易出現(xiàn)“高射炮”不良支護姿態(tài)，此時液壓支架的頂梁或掩護梁等結構件最容易變形損壞[5-8]。

其次，對于目前常用的兩柱掩護式液壓支架，平衡千斤頂作用力是內(nèi)力，只能調(diào)整頂梁狀態(tài)，無法改變四連桿機構姿態(tài)。由于四連桿是一個單自度的開環(huán)控制機構，液壓支架接頂承載時立柱無法調(diào)整行程，四連桿機構動作失去了動力源，因而無法在承載狀態(tài)下進行姿態(tài)調(diào)整與控制，這也是目前液壓支架只進行姿態(tài)感知而不進行姿態(tài)控制的主要原因[9，10]。

《智能化煤礦驗收辦法(試行)》規(guī)定生產(chǎn)條件較好的Ⅰ、Ⅱ類礦井薄及中厚煤層工作面應實現(xiàn)常態(tài)化無人操作，生產(chǎn)條件較差的Ⅲ類礦井薄及中厚煤層工作面每班作業(yè)人數(shù)不超過3人。若要真正實現(xiàn)工作面無人化開采，必須要解決液壓支架自主調(diào)姿問題[11-15]。

1—頂梁；2—立柱；3—平衡千斤頂；4—掩護梁；5—后連桿；6—調(diào)姿千斤頂；7—上前連桿；8—下前連桿；9—底座圖1 五連桿式液壓支架

不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有四連桿式液壓支架已很難滿足智能化開采需要，為此提出五連桿式液壓支架，具體結構如圖1所示[16]。由圖1可知，該型支架是在原有四連桿機構的基礎上增加一個下前連桿(控制連桿)和調(diào)姿千斤頂。整個液壓支架由頂梁、立柱、平衡千斤頂、掩護梁、后連桿、調(diào)姿千斤頂、上前連桿、下前連桿、底座等部件組成。其中，掩護梁、上前連桿、下前連桿、后連桿和底座五個部件是該型支架的穩(wěn)定機構(圖1中紅色部分)，因此將其稱為五連桿式液壓支架。由于底座是該連桿機構的機架，易知其自由度為[17]：

F=3×n-2×pl

(1)

式中，n為該連桿機構活動構件數(shù)量；pl為該連桿機構的低副數(shù)量。該型支架的活動構件為上前連桿、下前連桿、后連桿和掩護梁，易知n=4；由于上前連桿、下前連桿、后連桿、掩護梁和底座一共有5個鉸接點，易知pl=5。

將上述參數(shù)代入到式(1)得：F=3×4-2×5=2。不難發(fā)現(xiàn)，五連桿式液壓支架的自由度為2。正是由于多了一個自由度，這樣液壓支架在正常支護時，盡管立柱無法動作，但是液壓支架還有一個自由度，因而可以實現(xiàn)工作狀態(tài)下自由調(diào)姿。由圖可知，下前連桿與上前連桿鉸接，以便于液壓支架進行姿態(tài)調(diào)控；調(diào)姿千斤頂分別與下前連桿、底座鉸接，通過控制調(diào)姿千斤頂長度就可以改變五連桿穩(wěn)定機構狀態(tài)，具體方式為：當調(diào)姿千斤頂?shù)拈L度不變，調(diào)姿千斤頂與下前連桿的位置相對固定，則五連桿機構就變?yōu)槟壳暗乃倪B桿機構，若改變調(diào)姿千斤頂?shù)拈L度，調(diào)姿千斤頂與下前連桿的固定關系隨即解除，則五連桿機構的姿態(tài)就會發(fā)生變化，以實現(xiàn)液壓支架支護姿態(tài)控制，進而實現(xiàn)液壓支架姿態(tài)自適應控制。相對四連桿穩(wěn)定機構，五連桿穩(wěn)定機構具有更大的設計自由度：通過增加一個控制連桿，理論上可以縮短充填式等特殊型液壓支架的斜梁長度，保證整個穩(wěn)定機構位于前、后立柱中間，將現(xiàn)有的特殊型液壓支架前、后單連桿式結構改為前、后雙連桿式結構，提高液壓支架穩(wěn)定性和抗扭能力。不難發(fā)現(xiàn)，五連桿機構作為液壓支架穩(wěn)定機構，不僅可以保證液壓支架的橫向和縱向穩(wěn)定性，而且可以提高液壓支架抵抗偏載能力。

2 液壓支架平面桿系力學分析

建立五連桿式液壓支架平面桿系模型如圖2所示(為簡單起見，不考慮液壓支架受力不均而引起的扭轉力)。圖2中，O點為頂梁與掩護梁鉸接點，O1點、O2點分別為上前連桿和后連桿、下前連桿和后連桿速度瞬心，L為頂梁長度，H為液壓支架高度，H1、H2分別為O2點到頂梁和調(diào)姿千斤頂?shù)拇咕?，r、r1、r2分別為O點、O1點、O2點到立柱的垂距，F(xiàn)1、F2、F3分別為上前連桿力、下前連桿力和后連桿力，P為液壓支架支護阻力，P1為調(diào)姿千斤頂作用力，PE為平衡千斤頂作用力，Q、x分別為液壓支架合外力及其作用位置，t為O點到平衡千斤頂?shù)拇咕?，bc為O1點到O點的水平距離，be為O2點到O點的水平距離，f為頂梁與頂板間的摩擦因數(shù)，取f=0～0.3。

圖2 五連桿式液壓支架平面桿系模型

取頂梁和掩護梁作為隔離體，各力對O1點取矩，根據(jù)平衡方程，有：

r1P+(H0+bctanφ)Qf-(x+bc)Q=0

(2)

取頂梁作為隔離體，各力對O點取矩，根據(jù)平衡方程，有：

rP+H0Qf+tPE-xQ=0

(3)

取頂梁、掩護梁、下前連桿和后連桿作為隔離體，各力對O2點取矩，有：

H1Qf+r2P-Q(x+be)-H2P1=0

(4)

由方程(2)和(3)得到液壓支架合外力Q為：

頂梁合力作用點位置x為：

由方程(4)得到調(diào)姿千斤頂作用力P1為：

取頂梁和掩護梁作為隔離體，各力分別對水平和垂直方向取力系平衡方程，有：

Qf+F1sinα1+F3sinα3-Psinβ=0

(8)

Pcosβ+F1cosα1+F3cosα3-Q=0

(9)

式中，α1、α3、β分別為上前連桿、后連桿、立柱的垂直方向夾角。

由方程(8)和(9)得到上前連桿力F1和后連桿力F3為：

取頂梁、掩護梁、上前連桿、下前連桿和后連桿作為隔離體，各力分別對水平和垂直方向取力系平衡方程，有：

Qf+F3sinα3-F2sinα2-P1sinα4-Psinβ=0

(12)

Pcosβ+F3cosα3+F2cosα2+P1cosα4-Q=0

(13)

式中，α2、α4分別為下前連桿、調(diào)姿千斤頂?shù)拇怪狈较驃A角。

由方程(12)和(13)得到下前連桿力F2為：

3 液壓支架運動仿真

在如圖2所示的五連桿式兩柱掩護式液壓支架平面桿系模型的基礎上，利用Creo軟件對其進行運動仿真，分析該型支架連桿力變化曲線以及連桿、立柱運動過程中垂直方向夾角變化特性，基于上述計算結果，對該型支架連桿機構相關參數(shù)進行優(yōu)化。

液壓支架運動仿真是以液壓支架平面桿系模型為基礎(液壓支架骨架模型)，將前面建立的液壓支架支護阻力、調(diào)姿千斤頂作用力、連桿力等關系式編寫進Creo軟件程序當中，同時在程序中完成立柱垂直方向夾角、連桿與掩護梁夾角、梁端距、頂梁和掩護梁鉸接點至平衡千斤頂、立柱的中心線距離等相關參數(shù)設置[18-20]?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，結合力學關系式，便可進行五連桿式液壓支架運動仿真，進而獲得液壓支架主要參數(shù)在支架不同工作高度變化曲線。

4 液壓支架連桿參數(shù)優(yōu)化

本文以ZY12000/29/65型四連桿式兩柱掩護式液壓支架為例，其主要技術參數(shù)見表1，現(xiàn)在其基礎上增加一個下前連桿和調(diào)姿千斤頂，構成五連桿式液壓支架。

表1 ZY12000/29/65型液壓支架主要技術參數(shù)

下前連桿初始長度為600mm，根據(jù)測量得到的變化曲線，分析下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力的變化特性，具體結果如圖3所示。由圖3可知，在液壓支架由低到高的運動過程中，下前連桿力在液壓支架低位時基本保持穩(wěn)定，當高度超過4519mm時，下前連桿由受壓變?yōu)槭芾?壓為正，拉為負)，之后下前連桿力隨液壓支架高度增加開始不斷增大，最大壓力為174kN，最大拉力為3659kN；而調(diào)姿千斤頂作用力一開始隨液壓支架支護高度增加不斷減小，當高度超過5334mm時，調(diào)姿千斤頂由受拉變?yōu)槭軌海笳{(diào)姿千斤頂作用力開始不斷增大，最大壓力為5122kN，最大拉力為4212kN。由圖3可知，當液壓支架高度在5158mm時，兩條曲線相交，下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力相等，此時下前連桿和調(diào)姿千斤頂都受拉，拉力為463kN。

圖3 液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力變化曲線

在其他參數(shù)不變的情況下，單純地改變下前連桿參數(shù)，觀察下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力的變化特性。為簡單起見，本文分析5種下前連桿長度下(800mm、700mm、600mm、500mm、400mm)液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力的變化特性，具體結果如圖4所示。不難發(fā)現(xiàn)，隨著下前連桿設計長度的減小，下前連桿具有整體受拉趨勢，當下前連桿受壓時，下前連桿力隨之減小，當下前連桿受拉時，下前連桿力隨之增大；而調(diào)姿千斤頂作用力則與之相反，當調(diào)姿千斤頂受拉時，調(diào)姿千斤頂作用力隨之減小，當調(diào)姿千斤頂受壓時，調(diào)姿千斤頂作用力隨之增大，并且下前連桿設計長度對兩者作用力的影響明顯。根據(jù)液壓支架設計要求，結合五連桿機構本身的裝配要求，確定下前連桿設計長度為400mm，此時下前連桿整體受拉，最大拉力為3749kN；而調(diào)姿千斤頂在液壓支架工作高度為4884mm時，開始由受拉向受壓轉變，最大壓力為5128kN，最大拉力為3359kN。

圖4 不同下前連桿參數(shù)下液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力對比曲線

根據(jù)設計經(jīng)驗，相繼縮短上前連桿和后連桿設計長度，將上前連桿設計長度由2686mm縮短至2466mm，后連桿設計長度由2652mm縮短至2467mm，分析此時掩護梁背角(掩護梁表面與水平面的夾角)是否滿足設計要求。針對掩護式液壓支架，在最大支護高度時，掩護梁最大背角一般取αmax=58°～62°；在最小采高時，掩護梁最小背角滿足tanαmin≥f。若取f=0.3，最小采高為3.8m，測量得到掩護梁最大、最小背角分別為63.3°、18.5°，顯然，掩護梁背角符合設計要求，移架過程中掩護梁背負的矸石可以沿梁體下滑，說明該型支架最小采高應不小于3.8m。此時根據(jù)測量結果，得到最大下前連桿力為3841kN，最大調(diào)姿千斤頂作用力為5254kN。

在此基礎上，分別得到上前連桿參數(shù)、后連桿參數(shù)對下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力的大小影響變化曲線(圖5、圖6)。如圖5所示，隨著上前連桿設計長度的減小，當下前連桿受壓時，下前連桿力隨之增大，反之，下前連桿力隨之減?。欢{(diào)姿千斤頂作用力在調(diào)姿千斤頂受拉時隨之增大，在調(diào)姿千斤頂受壓時隨之減小。由圖6可知，后連桿設計長度與上前連桿設計長度對下前連桿力、調(diào)姿千斤頂作用力的影響作用正好相反，而且影響作用明顯。

圖5 不同上前連桿參數(shù)下液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力對比曲線

圖6 不同后連桿參數(shù)下液壓支架下前連桿力和調(diào)姿千斤頂作用力對比曲線

圖7 液壓支架支護強度變化曲線

圖8 上前連桿與下前連桿鉸接點位置變化曲線

五連桿式液壓支架優(yōu)化前后各連桿設計長度及性能參數(shù)值分別見表2、表3。由表2可知，盡管五連桿式液壓支架增加一個下前連桿，但相比四連桿機構，五連桿機構整體尺寸還要小于其整體尺寸，沒有大幅增加液壓支架重量。由表3可知，五連桿式液壓支架連桿力經(jīng)過優(yōu)化有一定程度減小，從而改善了液壓支架受力特性。

表2 優(yōu)化前后各連桿設計長度

表3 優(yōu)化前后性能參數(shù)

5 結 論

1)在工作行程內(nèi)，五連桿式液壓支架的下前連桿力、調(diào)姿千斤頂作用力大小與連桿設計長度關系密切，且連桿設計長度對兩者作用力影響顯著。

2)上前連桿與下前連桿鉸接點位置變化對五連桿式液壓支架支護強度有明顯影響，通過相關優(yōu)化，在比較大的開采高度范圍內(nèi)，五連桿式液壓支架明顯高于四連桿式液壓支架，據(jù)此可以確定五連桿式液壓支架最大采高。

3)較四連桿式液壓支架而言，五連桿式液壓支架力學特性比較復雜，連桿參數(shù)對五連桿式液壓支架力學特性影響明顯，必須要進行參數(shù)優(yōu)化，讓五連桿機構參數(shù)滿足液壓支架設計要求。