支撑掩护式液压支架系统设计与分析

1、! 这里取 ! =0.95为定值 , 取 " n 在 0.51之间 , 系统在不同" n 情况下的阶跃响应见图 4。在图 4中 , 取不同的固有频率值 , 系统都能达到最终 输出值 , 对于 " n 取值越大 , 系统响应速度越快 , 因此理论 上要求机械系统固有频率越大越好。由式(11 , 刚度越大 越好 , 与上面分析吻合 ; K L 一定时 , J L 越小越好。 但 J L 不能 无限小 , 由式 (10 , J L 太小的情况 , 将导致 ! >1, 系统输出 将不能达到预定位置。这正好与我们前面的说明是一致 的 , 即一定的转矩情况下 , 保证尽

2、可能小的转动惯量 , 获得尽可能大的角加速度 , 达到快速响应的效果。4结 语本文对交流伺服电动机进给系统的组成及各部分功 用进行了分析。结合强力切削颤振预报控制对机械传动 部分研究的要求 , 重点对机械传动部分参数进行优化 , 在 基于加速度响应最大的前提下 , 得出进给系统一级齿轮 最佳传动比。建立机械传动结构模型 , 得出如何在保证响 应快、 位置准确前提下 , 选用机械传动系统阻尼比和固有 频率 , 结合两者之间相互耦合的关系 , 对轴的各组成参数 进行分析和优化。参考文献 1付连宇 . 机床主轴转速在线寻优控制的研究 D . 长春 :吉林工业 大学 , 1999.2王德斌 . 交流伺

3、服进给系统及其数学模 型的研 究 J . 机 械制 造 与自动化 , 2006, 35(1 :86-88, 91.3殷际英 , 林宋 , 方建军 . 光机 电一 体化 实用 技术 M . 北 京 :化 学 工业出版社 , 2003.(编辑 明涛 作者简介 :吴玉国 (1959- , 男 , 副教授 , 硕士生导师 , 研究方向为机电一体化。收稿日期 :2007-03-12图 4不同固有频率 ! n 下系统的阶跃响应曲线图24681012141618支撑掩护式液压支架系统设计与分析魏鹏 ,王勇(合肥工业大学 机械与汽车工程学院 , 合肥 2300091引 言 液压支架是我国采矿业主要的支护设备

4、, 根据结构和 功能的不同 , 可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种 1。 因为支撑掩护式液压支架兼有支撑式和掩护式的优点 , 所 以目前发展很快 , 但在自主开发中也存在着一些问题 , 主 要表现在根据不同地质条件和生产需要进行研发时 , 周期 长、 成本高 , 使得一些中小煤矿难以承受 , 导致其支护水平 低下 , 存在安全隐患进而引发事故。因此 , 急需找到一种经 济可靠、省时省力的设计计算、分析校核液压支架的方 法。本文以此为出发点 , 利用计算机技术 , 并考虑到方便 性 、 易用 性与兼容性 等因素 , 利用 VB 2对总 体 结构 及 部 件进行设计和动态模拟 , 为支撑掩护式支

5、架的设计提供 一种方便可靠的方法。2总体方案的分析与拟订支撑掩护式液压支架如图 1所示。主要任务是进行支撑掩护式液压支架的整体设计及顶梁、 尾梁、 掩护梁、 摘 要 :应用 Vis ual Bas ic 语言 , 实现液压支架的优化设计 , 将结果传递 , 实现支架的动态模拟 , 并对支架随顶压和煤层厚度的变化进行总体设计 , 然后对主要部件进行强度校核。上述过程用一个系统程序实现 , 并列出程序代码。关键词 :液压支架 ; Vis ual Bas ic ; 优化设计 ; 动态模拟 中图分类号 :TD335.44文献标识码 :A文章编号 :1002-2333(2007 08-0058-03De

6、sign and Analysis for a Suppor ting &Shielding Hydr aulic Br acket SystemWEI Peng, WANG Yong(Hefei University of Technology, Hefei 230009, China Abstract :The optimum design of the support is accomplished by using Visual Basic program language. Then the results are transmitted to achieve the ove

7、rall size design and dynamic simulation of the hydraulic support and the force with the change of deferent pressure and thickness of the coal layer. At last, the intensity of all main components is proofreaded. The whole process discussed above is realized in a entire system. All program codes are l

8、isted. Key words :hydraulic support; Visual Basic; optimum design; dynamic simulationM制 造 业 信 息 化MANUFACTURINGINFORMATIONALIZATION58机械工程师 2007年第 8期图 1支撑掩护式液压支架H 1. 支架在最高位置时的计算高度 a. 后连杆长度c. 前连杆长度d. 前后连杆下铰点水平之距e. 前后连杆上 铰点水平之距 p 1. 支架在最高点时掩护梁与顶梁顶面夹角Q 1. 在最高位置时 , 后连杆与底座底面夹角e! aO 1Q 1cp 1H 1d图 2支架结构优化设计图

9、底座、 千斤顶、 立柱等的设 计、 选择、 分析校核及运动 状态模拟 , 达到在满足各 种技术需要的前提下缩短 研发周期、减少研发成本的目的。对于各种不同的开采条件 , 应当选择与之适应的架型 , 以保证投资合理、 安全 高产地生产原煤。 架型的选择 , 主要考虑顶板条件、 顶压 , 同时也要考虑煤层厚度、 煤层倾角、 地板强度、 地质构造、 煤层硬度和节理、 瓦斯含量、 设备成本、 配套设备及年产 量等。设计条件 : 顶压 :9600kN(800t , 安 全 系 数 1.2 ; 煤 层 厚 度 :25m ; 煤层倾角 :<15° 顶板性能 :中等稳定 , 平整 (老 顶为

10、级 , 直接顶为 类 ; 底版性能 :中等平整 ; 瓦 斯含量 :不大。根据设计条件可选用低位放顶煤液压支架3。由于煤层厚度 45m , 根据采一半放一半的原则 , 可以 取最 大 采高为 2.5m , 由于液压支架最大支撑高度比最大采高高左右 , 取 0.5m 。 因此 , 液压支架的支撑高度为 1.52.7m 。 初 定液压支架的型号为 :ZFS9600/15/27。其主要技术特征及配套设备见文献 4。支架架体的设计计算包括支架高度、 支架间距的确定 , 底座、 顶梁 和掩 护梁宽度、 长度及所用钢板厚度的设计计算。 由于支架间距 的存在 , 为防止漏矸现象的发生 , 完成上述工作后还需对

11、 支架架间的侧护板进行设计计算。侧护板分为顶梁侧护 板和掩护梁侧护板两部分 , 此处均选用一侧固定一侧活 动的结构形式。支架结构优化设计如图 2所示。根据附加力对支架 受力影响的分析 , 为了减小附加力 , 必须使 tan ! 值较小。同时 , 为 有 效 地 控 制 顶 板 , 要 求 支 架 由 高到 低 变化时 , 顶 梁 前 端点 与 煤 壁 之 间 的 距 离 变 化 要小 , 而 支 架 在 最 高 点 时的 ! 角 , 恰 好 是 顶 梁 前 端 点 的 双 扭 线 轨 迹 上 切 线 与 顶 梁 垂 线 之 间的 夹角 。所以 , 只 要 令 支 架 由 高 到 低 变 化 时

12、 , 顶 梁前 端 点 运 动 轨 迹 近 似 成 直 线 目 标 函 数 , 这两 项 要 求 都能 得 到满足 5。支 架 在 最 高 位 置时 :P 1=52°62°(0.911.08rad ;后连杆与掩护梁长度的比值 Z=1.01.4;前后连杆上铰点之距与掩护梁长度的比值 I 1=0.220.3;e 点的运动轨迹的最大宽度 e<70mm , 最好在 30mm以下 ;支架在最高位置时的 tan ! 应小于 0.35, 对于低位放 顶煤液压支架 , 最好小于 0.2。此 部 分 属 常 规 设 计 6, 主 要 包 括 立 柱 、 推 移 千 斤 顶和 推 后 溜

13、 千 斤 顶 的 设 计 计 算 。 立 柱 的 设 计 主 要 包 括 立 柱 杆 径 的 计算 和 柱 窝 的 设 计 。 柱 窝 设 计 为 埋 入 底 座 箱 形 结 构 内 的 球 窝 形 柱 窝 , 其 具 有 强 度 大 、对 主 柱 的 刚 性 适 应 性 强 、 可 保 证 支 架有 较 大 的 调 高 范 围 等 特 点 。 缺 点 是 对 底 座 的 强 度 影 响 较 大 , 柱 窝 处 容 易 堆 积 煤 矸 , 影 响 正 常 工 作 。 千 斤 顶 的 设 计 包 括 内 径 、 活 塞 杆 杆 径 和 推 移 行程 。型号 :四柱支撑掩护式 ; 放煤形式 :双输

14、送机插板式 ; 高度 :1.5-2.7m ; 中心距 :1.43-1.60m ; 处撑力 :1.5m ; 工作阻 力 :9035kN ; 支护强度 :11294kN ; 对底板比压 :0.625MPa ; 适应煤层倾角 : 15° 支架 :供液泵压 (MPa 31.4; 运输尺 寸 (m :5.2×1.43×1.7; 重量 (t :约 19; 立柱形式 :单伸缩 ; 缸 径 /柱径 :220/170mm ; 工作阻力 /初撑力 :1328/985kN ; 推移 千斤顶型式 :框架式 ; 缸径 /行程 :140/750mm ; 推力 /拉力 :动态模拟通过对液压支架

15、进行运动分析 , 了解液压支架各部 件尺寸的设计是否合理 , 是否满足使用要求 ; 通过对液压 支架运动的动态模拟 , 可以知道支架各部件之间的运动 关系 , 观察各部件之间是否发生干涉 ; 同时也可通过特殊 位置显示出支架在特殊位置时的状态 , 以便更深地了解 所设计的支架是否满足要求。液压支架运动分析的方法有以支架的高度变化为自 变量的运动分析法和以支架的后连杆的水平倾角为自变 量的运动分析方法 7。本文以后者为根据进行运动分析。通过图 3观察到 , 底板固定 , 当立柱 升降 , 顶板近 似 于水平状态再上下移动时支架各部件的运动情况。通过VB 程序计算出部件和危险截面所受最大 力是否满

16、足设计要求。程序流程如图 4所示。本文采用 VB 编制计算校核程序 , 按软件设计工程的基本思想及模块化、信息传递标准化和分布式控制方式 进行。为了进行模块划分 , 必须对 CAD 系统的任务进行 规划 , 确定完成该任务的各功能模块 , 以及各功能模块的 相互关系和信息流。问题求解 的各功能模 块是为 解决 CAD 系统的 任 务59机械工程师 2007年第 8期M制 造 业 信 息 化MANUFACTURINGINFORMATIONALIZATION b. d. 前 连杆底 座e. 距离 f. 前 后 连 i. l 5. l 6. 下铰点 端l 7. 后立柱 点水平 距离 l 8. 前 铰

17、点水 平 距离l 9. l 10.l 10l 5l 9l 6l 8l 7g fbc d iea3启动a , , c , d , e , f , g , i , l 5, l 6, l 7, l 8, l 9, l 101, 2输入 ZZ=1, 2, 3, 4Z=2Z=1Z=3Z=4Fea升架 序Fab降架 子程 序Fac特殊 位置 显示Fad动态 模拟 分析Faaa计算 铰点 子程 序Faab绘图 子程 序Z=5结束4而设置的 , 各项 功 能 模 块 集 成 到系统中 , 在控 制模块调度下 , 按 求 解 的 任 务 运 行 调 用 相 应 的功能模块 , 完成既定的任务。本 程 序 分

18、为 原 始 条 件 处 理模块、 总体设 计模块、 底座设 计模块、 千斤顶 设计模块、 顶梁 设计模块、 掩护 梁设计模块、 立 柱设计模块、 整 体 动 态 模 拟 模 块。其中 , 原始 条 件 处 理 模 块 可 以 根 据 输 入 的 参 数 进 行 煤 层的最大、 最小 采高、 支架的选 型、 四连杆优化的计算 , 得出整体设计的尺寸。 总 体 设 计 界 面 如图 5所示。整 体 设 计 模 块 直 接 引 用 原 始 数 据 处 理模块中所需变化的底座结构尺寸 , 进行受力分析计算 , 得 出底座受力大小 , 并进行校核 , 输出校核结果。千斤顶设计模块根据所输入参数 , 得出千斤顶的结构参数 , 并进行校核 , 输出校核的结果。顶梁和掩护梁设计模块根据输入参数得出最大弯曲 应力、 剪切应力和安全系数 , 并显示是否通过校核。立 柱 设 计 模 块 根 据 输 入 参 数 得 出 立 柱 及 活 塞 杆 尺 寸 和 所 受 的 最 大 支 撑 力 , 并 验 证 油 缸 稳 定 性 和 缸 体 强 度 。动 态 模 拟 是 对 初 步 完 成 设 计 的 液 压 支 架 进 行 运 动 仿 真 , 分 为