侯麗嫚

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037000）

引言

現(xiàn)有的先進計算機科學技術(shù)已普遍應用于煤礦設(shè)備的設(shè)計、制造、監(jiān)測中，例如可視化編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)在液壓支架連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計上已得到了較好的運用。由于井下作業(yè)工況復雜多變，液壓支架作為采煤作業(yè)時的主要受載設(shè)備，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理決定著采煤作業(yè)的效率和安全，因此文章基于C++可視化編程語言，對液壓支架的四連桿機構(gòu)參數(shù)進行了運動學仿真和設(shè)計，獲取連桿機構(gòu)的運動規(guī)律，并得到了參數(shù)設(shè)計結(jié)果。該方法具有的優(yōu)點是：程序編寫和測試完成后，再進行同類型的連桿設(shè)計時，只需修改相應的約束參數(shù)即可獲得設(shè)計結(jié)果，計算成本小且計算速度快，也對其他煤礦設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計具備一定的借鑒意義[1]。

1 液壓支架四連桿機構(gòu)的運動學簡析

目前通常采用兩個參數(shù)為前提來進行運動學分析：以液壓支架的工作高度為基礎(chǔ)、以后連桿與水平方向夾角大小的改變量為基礎(chǔ)。根據(jù)現(xiàn)有研究的結(jié)果表明，液壓支架的工作高度對整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)影響尤為重大，一般來說液壓支架的工作高度發(fā)生改變后，四連桿機構(gòu)的運動學參數(shù)會產(chǎn)生較大幅度的變化，同時各連桿的受力狀態(tài)也會發(fā)生大幅改變。因此，要對液壓支架進行運動學分析，首先就是對液壓支架的工作高度作出必要的分析[2]。

液壓支架四連桿機構(gòu)的工作簡圖如圖1所示，對各個桿件的參數(shù)或運動參數(shù)進行必要的標記。四連桿機構(gòu)在支架高度由最小至最大的過程中，必須滿足以下一系列的軌跡方程：

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)運動簡圖

圖1中：O為液壓支架四連桿機構(gòu)的速度瞬心；H為液壓支架的工作高度；α為掩護梁與水平方向的夾角；E為掩護梁上鉸點；θ為線段OE與水平方向的夾角；H0為掩護梁與頂梁之間的距離；α1、α2為前連桿、后連桿與豎直方向的夾角；L1、L2分別為前后連桿的長度；L3為前后連桿鉸點之間的距離；L4為掩護梁長度；L18為連桿鉸點至掩護梁鉸點間的距離[3]。

計算液壓支架四連桿機構(gòu)橫向運動位移的公式為：

O點作為機構(gòu)的速度瞬心，同時也是頂梁與掩護梁鉸接點做雙紐線復雜曲線運動的曲率中心。線段OE與水平方向的傾角越小，E點在橫向的運動位移幅度也越小，反之亦然。根據(jù)已有研究表明，E點橫向位移幅度與線段OE和水平方向的夾角成比例關(guān)系。

計算前后連桿鉸點位移的方程如下：

將二者聯(lián)立后可確定機構(gòu)速度瞬心的位置：

需要說明的是液壓支架高度在工作過程中不斷循環(huán)往復變化，當其從最小變至最大時，機構(gòu)的運動路徑與鉸點E的運動位置存在一一對應的關(guān)系。因此，從理論上我們可以通過E點的運動方程來分析整個四連桿機構(gòu)的運動參數(shù)。例如當E點空間位置確定后，即可確定機構(gòu)速度瞬心O的位置。

2 四連桿機構(gòu)運動仿真模型的建立

圖2所示為四連桿機構(gòu)的運動仿真幾何模型。

圖2 四連桿機構(gòu)運動仿真幾何模型

圖2中各參數(shù)意義解釋：a為后連桿長；b為前連桿、后連桿分別與掩護梁E'點的距離差；c為前連桿長；d為兩連桿間在豎直方向上的距離；e為兩連桿間在水平方向上的距離；e1為后連桿、掩護梁在水平方向上的距離；f為前連桿與頂梁的距離；t為掩護梁長。

運動仿真模型的建立主要分為三部分，分別是：設(shè)計變量的確定；目標函數(shù)的建立；約束條件的設(shè)定。

1）設(shè)計變量的確定。如圖2所示，四連桿機構(gòu)的運動仿真包含 8 個結(jié)構(gòu)幾何參量：a、b、c、d、e、f、g、e1，其中t為b與f之和，將其作為本次計算的優(yōu)化變量，則有X=[a b c d e f]=[X1X2X3X4X5X6]。

2）建立目標函數(shù)。可表示為：minf（X）=min（max|XT-XK|）

3）設(shè)定運動仿真的約束條件。要求E點橫向位移最小，則有g(shù)1（x）=ΔXe-[ΔXe]≤0；要求前后連桿鉸點在豎直方向上的距離，則有g(shù)2（x）=X4-[X4]≤0；要求前后連桿鉸點在水平方向上的距離，則有g(shù)3（x）=X5-[X5]≤0；要求掩護梁在支架高度最高時與水平方向的夾角，則有g(shù)4（x）=β1-[β1max]≤0；要求后連桿在支架高度最高時的水平傾角，則有g(shù)5（x）=ω1-[ω1max]≤0；

3 四連桿機構(gòu)運動仿真的程序設(shè)計

借助于C++610軟件連桿機構(gòu)的運動學仿真，C++610是一個邏輯性與快捷性并存的程序軟件，在本文里軟件主要用于運動學仿真模型的建立及負責計算結(jié)果，主要包含以下內(nèi)容：

1）設(shè)計主要用于分析機構(gòu)中各點的運動軌跡、運動幅度和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選用、確定。為了提高軟件的計算速度和界面清晰程度，決定采用參數(shù)輸入、計算顯示、結(jié)果輸出這三種大類的模塊。輸入?yún)?shù)包含第2節(jié)中介紹的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如支架的最大高度、最小高度、前后連桿長度、掩護梁在水平方向上的傾角、連桿間的距離、連桿到頂梁的距離等，輸入?yún)?shù)后程序根據(jù)設(shè)計變量、約束條件、目標函數(shù)等的建立自動計算出結(jié)果，并將結(jié)果存儲表控件內(nèi)，隨后根據(jù)程序的作圖顯示功能，將計算結(jié)果以曲線或圖像的形式直觀的顯示出來。同時為了方便存儲、下載、移動等功能，輸出模塊將計算結(jié)果同時以表格、文本等多種格式進行保存，方便工作人員進行后續(xù)處理[4]。

2）設(shè)計程序的運行邏輯，包含計算、接口兩個模塊。計算包含內(nèi)置的計算程序，仿真設(shè)置程序，接口包括輸入、輸出的接口，與用戶交互的窗口，如圖3所示。

圖3 四連桿運動仿真及參數(shù)設(shè)計程序運行邏輯

圖4 四連桿機構(gòu)速度瞬心在空間內(nèi)的變化

3）四連桿機構(gòu)運動仿真及參數(shù)設(shè)計程序的應用界面設(shè)計。該界面主要通過C++610的對話框功能設(shè)計，使得參數(shù)能夠在用戶與程序之間自由地交換、顯示、計算。通過計算結(jié)果中的列表數(shù)據(jù)來分析實時的機構(gòu)運動情況，程序在計算過程中對于參數(shù)的改變無法識別，即不允許在運行時改變參數(shù)。計算結(jié)果以二維坐標的曲線圖等形式顯示在作圖區(qū)域，如若選中一組計算結(jié)果曲線，則會在曲線右方顯示計算程序和過程，方便設(shè)計者查看是否存在問題。圖4所示為四連桿機構(gòu)的速度瞬心在平面內(nèi)的位置變化，隨后在曲線右方即可對軌跡曲線進行分析，將曲線結(jié)果以列表和文本等形式保存。

4 結(jié)語

1）四連桿機構(gòu)的速度瞬心在空間位置中的變化表明了計算結(jié)果的準確性。

2）本文的分析方法對于計算液壓支架四連桿機構(gòu)的運動軌跡、更改參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計參數(shù)方案及計算支架受載、構(gòu)件受力等方面都具有重要的指導作用。