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液压支架的分析优化

文档作者：卢小菊段瑾刚文档来源：太原铁路机械学校		点击数：	更新时间： 2021年05月20日
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第5期(总第186期)
2014年1O月
机械工程与自动化
MECHANICAL ENGINEERING 8乙 AUT0MAT10N
No．5
0ct．
文章编号：1672-6413(2014)05—0212—02
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030006)
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：TD355 ．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r3]。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BD 的长度；O为运动瞬心压力角； 。和d分别
为CD 的水平倾角与长度；(X。 ，Yo )为瞬心O。的坐
标。四连杆机构的两个极限位置为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：、
∞ — 。
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+L1 sina+L2 sin(rio+J8l+ -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／max处支架不一定工作在最高高度。但是，在该
收稿日期：2014—05—30；修回日期：2014—06—10
作者简介：卢小菊(1984一)，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。
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2014年第5期 卢小菊，等：液压支架的分析优化 · 213 ·
区间一定存在唯一使H取极大值和极小值的两个点
Ot 和aM。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0．618法
可以求出与支架理论高度区间[ ， ]对应的[a ，aM]。
即：minf(a)求出Otf，h J；minl--f(a)-]求出口M，hM。
液压支架实际高度[^。。，his]仅是[^，， M]的子区
问[4 ]。在单调区间[a ，aM]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：mini-H—f
(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，X—r-L ，L。，L。，L ，
L5，L6， ]一Ix1，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)===Σ 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：
f2(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：
f3==：max{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
min 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：
gz(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)≥
[ymi ]，即：
g (X)一[y⋯]一y(X)≥O．
g5(x)一y(x)一[)， ]≥0．
(4)后连杆水平倾角满足条件[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 与P点的连线同水平线的夹角满足
条件：
g8(X)一Eo ]-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)：Ix ]一Ls～EAx。]≥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：
g1。(X)==：L。一EL ]≥0．
(8)座底两销孑L间的距离，即：
g11(X)一L6一EL6min]≥0．
(9)保证前连杆上铰点在掩护梁结构内，即：
L ， V 、
g12(x)一arcsin[ ]一 ≥0．
J 3
其中：h。(X)为A和D 两点间的垂直距离。
共12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215页)
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2014年第5期 机械工程与自动化 · 215 ·
式提升机按30 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 ITI，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AUBEMA 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4．65％ 质量
分数，而飞灰含碳量每降低1 ，煤耗可降低0．7 g／
kWh，按照每年发电14亿kwh计算，每年可节约标准
煤约4 550 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：
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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页)
参考文献：
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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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