王亞軍

【摘 要】液壓支架對于煤礦綜采是一種非常重要的支護設(shè)備。分別采用PRO/E和ADAMS建立液壓支架三維模型并完成動力學(xué)分析。液壓支架模型的導(dǎo)入、約束和載荷的定義均基于接口軟件Mech/pro進(jìn)行設(shè)置，該模型的動力學(xué)分析采用了參數(shù)化方法，在ADAMS中進(jìn)行仿真與模擬，計算結(jié)果表明：液壓支架的頂梁在運動過程中，橫向與垂向平均加速度的波動形狀相似，但數(shù)值差異較大。在優(yōu)化研究方面，采用基于ADAMS的CAE優(yōu)化技術(shù)，對液壓支架的四連桿機構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，降低了頂梁端點橫向擺動的角位移，從而使得液壓支架的支護效率得到明顯改善。

【關(guān)鍵詞】動力學(xué)；液壓支架；參數(shù)化；優(yōu)化

0 引言

隨著煤礦綜采水平的提升，增強液壓支架的研發(fā)技術(shù)、提高液壓支架的設(shè)計水平、提升液壓支架的可靠性成為產(chǎn)品競爭力的基本功能需求[1]。隨著機電技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，液壓支架的動態(tài)分析與優(yōu)化成為熱點研究問題。良好的液壓支架設(shè)計，可使得采煤工作面的移架和推溜速度得到大幅度提升，加強采煤工作面的頂板的支護強度，為煤礦工人提供更加優(yōu)越的采煤條件，并且能夠減小企業(yè)生產(chǎn)成本。對于液壓支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，不但可以提升整機設(shè)備的支護效率，而且能夠在保證煤炭工人的工作環(huán)境和生產(chǎn)條件改善的同時降低提高生產(chǎn)效益。

在煤礦生產(chǎn)中，井下工程技術(shù)人員控制著液壓支架的大部分功能，這部分人員熟練掌控著液壓支架的運行和維護，然而卻很少對液壓支架進(jìn)行深度的研究。一般地，在液壓支架的絕大部分生產(chǎn)廠商中，專業(yè)的從事液壓支架的研發(fā)工程技術(shù)人員很少把精力放在液壓支架的動態(tài)特性的分析上，針對液壓支架的動態(tài)特性進(jìn)行改善和優(yōu)化提高的內(nèi)容就更少，缺少人才和技術(shù)支撐，其設(shè)計研發(fā)內(nèi)容主要集中于結(jié)構(gòu)分析[2-3]。通常，技術(shù)人員提升研發(fā)效率的方法只是在原來的液壓支架的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過簡單的調(diào)整液壓系統(tǒng)，將其性能提高和改善，沒有充分的理論研究和分析計算支撐，廠家在開發(fā)新產(chǎn)品的過程中只能通過不斷制作新的實驗樣機，并且需要大量的重復(fù)的調(diào)試試驗，在樣機調(diào)試過程中任何微小問題的出現(xiàn)，都有極大的可能無法找到問題出現(xiàn)的原因，從而再進(jìn)行反復(fù)的試驗，直到問題解決才能更進(jìn)一步的設(shè)計和優(yōu)化，此種方法通過無數(shù)次不間斷的試驗，并在此基礎(chǔ)上做出無數(shù)次調(diào)試和改進(jìn)，才能開發(fā)和設(shè)計出新的產(chǎn)品。

近幾年，CAD和CAE技術(shù)得到快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，對于液壓支架的設(shè)計與研究，也從經(jīng)驗計算和校核這種最原始的方法過度到動態(tài)數(shù)值模擬分析的方向上。為此，本文運用數(shù)值模擬的方法對液壓支架的動力學(xué)特性進(jìn)行分析和與優(yōu)化，提升設(shè)備的支護效率，增加此設(shè)備帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 液壓支架系統(tǒng)的動力學(xué)仿真

1.1 ADAMS簡介

ADAMS是目前公認(rèn)程度最高的動力學(xué)分析軟件之一，它是由美國MDI公司開發(fā)出來的，通過多次不同版本的更新以及功能的逐步完善，現(xiàn)如今已經(jīng)成為廣泛應(yīng)用的虛擬樣機分析軟件[4]。ADAMS應(yīng)用到各個國家的各個不同的領(lǐng)域，占據(jù)了全球很大一部分的使用份額，無論從技術(shù)方面還是從經(jīng)濟方面而言，都取得了非常大的成功。ADAMS采用的是用戶交互式界面，集結(jié)了多種分析模塊，其主要功能有：（1）可以進(jìn)行系統(tǒng)的動力學(xué)以及動力學(xué)分析；（2）可以對液壓系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真；（3）可以對模型進(jìn)行振動模擬的仿真。ADAMS還擁有十分強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以根據(jù)用戶的不同需求，得出相應(yīng)的特性曲線，后處理模塊能夠保證分析結(jié)果的清晰度和準(zhǔn)確度。在動力學(xué)分析中，多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的核心為拉格朗日方程方法，可適用于多種復(fù)雜多變的剛性系統(tǒng)。利用ADAMS軟件，用戶可以十分方便地對虛擬系統(tǒng)進(jìn)行全面的靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，并且基于虛擬樣機的算法和技術(shù)進(jìn)行模型的二次分析、開發(fā)和優(yōu)化。ADAMS具有開放性特點，具備多程序結(jié)構(gòu)和多種接口，使其成為一種多功能分析平臺，分析結(jié)果可信程度高，特別適用于多自由度系統(tǒng)的動態(tài)特性分析。

1.2 參數(shù)化模型的建立

在本文的研究中，液壓支架的參數(shù)化建模[5]主要基于三維軟件PRO/E完成。PRO/E是由美國的PTC公司研發(fā)出的一款不僅能進(jìn)行三維零件設(shè)計，而且還能進(jìn)行三維零件裝配的造型軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配體的整體或者局部運動過程的數(shù)值模擬，是現(xiàn)階段最具有代表性三維CAD軟件之一。Pro/E在windows平臺下融合了參數(shù)化造型技術(shù)和變量化造型技術(shù)的三維實體造型系統(tǒng)，其具有十分強大的的機械裝配設(shè)計和繪圖功能，能夠方便地與ANSYS、FLUENT、MATLAB等應(yīng)用分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)間轉(zhuǎn)換和鏈接操作。Pro/E具有及其強大的建模功能，它不僅能完成復(fù)雜的造型設(shè)計和裝配設(shè)計，將各類零件、裝配件等實體進(jìn)行投影并最終生成二維工程圖，符合我國繪制標(biāo)準(zhǔn)，投影精度很高，在很大的程度上簡化了液壓支架及其零部件的設(shè)計過程。在Pro/E中，組件模塊提供了很多種的約束類型和連接形式，約束類型包括“匹配”、“對齊”、“插入”、“坐標(biāo)系”等，這些約束類型可以完成相對靜止的參照設(shè)置；連接形式包括 “銷連接”、 “平面連接”等，這些鏈接類型可以完成轉(zhuǎn)動副或者平移副的定義。一般情況下，裝配體的約束類型需要根據(jù)實際的自由度來確定連接形式。針對液壓支架的機構(gòu)特點，參數(shù)化模型在建立的時候需要綜合運用約束和連接，而且保證機構(gòu)處于完全約束狀態(tài)，即驅(qū)動構(gòu)件數(shù)量與自由度數(shù)量一致。

本文以某型號的垂直梁式液壓支架為研究對象進(jìn)行建模分析，該類型的液壓支架由插板、導(dǎo)桿、掩護梁、頂梁、底座、立柱等部件組成。為了將液壓支架的分析過程變得更加簡便，本文將組成部件分為兩大類，一類為組焊件，另一類為組裝件。 其中，組焊件通過鋼板或圓管的焊接工藝而連接在一起，形成的連接為剛性連接，因此各部分之間相對位置是固定不變的，可直接按照裝配關(guān)系或連接關(guān)系進(jìn)行完全裝配；組裝件需要考慮運動自由度問題，根據(jù)旋轉(zhuǎn)副和移動副的特點進(jìn)行裝配，實現(xiàn)不同狀態(tài)下的液壓支架進(jìn)行動態(tài)分析。endprint

Mech/pro是MSC公司開發(fā)的，為ADAMS實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫接入的連接軟件。文中液壓支架的參數(shù)化模型可以通過該軟件連接ADAMS與PRO/E，實現(xiàn)系統(tǒng)動力學(xué)模型的參數(shù)化轉(zhuǎn)換，使虛擬樣機模型的動力學(xué)和運動學(xué)計算更加高效。Mech/pro可以在 Pro/E中直接定義模型的剛體特性和相關(guān)的自由度約束，并將其傳遞到ADAMS中，實現(xiàn)全面的動力學(xué)聯(lián)合仿真分析。

在本文中，首先通過Pro/E三維軟件建立液壓支架的裝配圖模型，再通過Mech/pro接口軟件，完成虛擬樣機參數(shù)化轉(zhuǎn)化并導(dǎo)入到ADAMS中。在液壓支架的動力學(xué)分析中，需要根據(jù)實際工作條件設(shè)置不同的約束類型和連接形式，從而實現(xiàn)液壓支架的虛擬裝配和運動仿真。為了對液壓支架進(jìn)行更加精確地運動仿真，文中對四個立柱和各個油缸兩端的銷孔與其相關(guān)部件上耳座之間采用“銷連接”；活塞桿與缸體之間、插板與掩護梁之間、導(dǎo)桿與導(dǎo)向筒、前伸梁與頂梁之間采用“滑動連接”。通過Mech/pro軟件，不僅仿真模型的相似度得到提升，工作效率也同樣得到提高。當(dāng)在接口軟件中施加約束時，可以直接參選零件的各個特征，在導(dǎo)出的數(shù)據(jù)中包含有接口軟件中的所有數(shù)據(jù)，真正地實現(xiàn)了無縫參數(shù)化轉(zhuǎn)換。為了操作方便，能在 Mech/pro 中添加約束的盡量在 Mech/pro 中添加。動力學(xué)分析軟件ADAMS能夠直接識別的文件為cmd，通過該文件的導(dǎo)入，可得到參數(shù)化的液壓支架虛擬樣機模型，最終各個約束在ADAMS中如圖1所示。

1.3 結(jié)果分析

為了更好的模擬仿真液壓支架的運動學(xué)特性，需要完成邊界條件的定義。根據(jù)工況，文中定義頂梁驅(qū)動電機的垂向速度為6mm/s，并設(shè)定支架從3000mm處開始運行。根據(jù)支護分析結(jié)果，對頂梁處和底座處添加載荷。在液壓支架虛擬樣機的載荷條件中，底座兩端施加的支撐力是由底座實際工況中的支撐力簡化而來的，因此，為了更接近實際工況條件，文中將頂梁的壓力載荷按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行分散處理。在ADAMS中，設(shè)置液壓支架升降運動為勻速運動，并且建立支架動載荷隨時間變化的關(guān)系，從而可以計算出液壓支架在不同高度下所對應(yīng)的動力學(xué)特性，研究液壓支架的承載能力與支架高度變化之間的關(guān)系。在完成系統(tǒng)的設(shè)定之后，即可以進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，最終得到頂梁在空間（橫向與垂向）運動的曲線圖分別如圖2所示。

根據(jù)圖2中的分析結(jié)果可知：液壓支架頂梁在橫向的運動較為穩(wěn)定，加速度變化較為平緩，液壓支架在移動支護過程中，水平方向的慣性附加力比較小，慣性頻率較低；在豎直方向上，液壓支架的運動特性和橫向方向相似，但平均加速度在數(shù)值上為橫向方向的10倍以上，其慣性力相對于水平方向而言較大。為了適應(yīng)液壓支架的支護方向，需要進(jìn)一步對液壓支架的四連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析和設(shè)計。

2 液壓支架連桿系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化原理

本文對液壓支架連機構(gòu)的優(yōu)化方法主要基于ADAMS。在ADAMS中，采用優(yōu)化變量是應(yīng)用最多的參數(shù)化分析方法之一，它不但可以定義用戶本身的參數(shù)變量，同時還可以關(guān)聯(lián)仿真對象進(jìn)行結(jié)果分析[6]。在ADAMS/View中，為設(shè)計變量的選擇提供了一種可靠的設(shè)計方法，可以清晰的顯示各個參數(shù)，這樣就能很方便地觀察、修改各個參數(shù)變量值。在給定初始參數(shù)后，通過參數(shù)化的選擇，可以將設(shè)計變量在一定的變化范圍內(nèi)連續(xù)取值，進(jìn)行相應(yīng)的分析，從而完成參變量的優(yōu)化。ADAMS主要提供了設(shè)計研究、試驗設(shè)計和優(yōu)化分析等三種參變量的研究方法。

通常，對于需要進(jìn)行優(yōu)化的變量在整個分析研究中是與其它變量相互關(guān)聯(lián)的，不同的變量之間存在著不同的函數(shù)關(guān)系。在優(yōu)化結(jié)果的計算中，必須使優(yōu)化變量保持對目標(biāo)函數(shù)的一致性，為此必須轉(zhuǎn)換參數(shù)變量，若不進(jìn)行參數(shù)變量的轉(zhuǎn)換，得出的優(yōu)化結(jié)果不僅使用戶無法明確的選擇參變量，甚至得到的優(yōu)化結(jié)果也不理想，無法有效地分析液壓支架的結(jié)構(gòu)性能。本文將液壓支架的四桿機構(gòu)作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化目標(biāo)多個，因此計算結(jié)果也會出現(xiàn)不同的數(shù)值，每個優(yōu)化計算得出的數(shù)值都是獨立的，無法得出它們之間的關(guān)系，基于此種結(jié)果，必須通過某種方法使計算結(jié)果的數(shù)值唯一?，F(xiàn)今，在對模型進(jìn)行優(yōu)化時，有三種主要方法可使用戶在計算中得到最終解：（1）生成法。這種方法是計算出無數(shù)的對分析優(yōu)化結(jié)果有用的數(shù)值，將這些數(shù)值構(gòu)成求解子集，然后通過篩選校正這些子集得到最優(yōu)解；（2）交互法。交互法的應(yīng)用對研究人員自身具備的經(jīng)驗和學(xué)術(shù)水平要求較高，是研究人員直接對得到的多個解進(jìn)行有效地判斷和分析，從而得到最優(yōu)解；（3）轉(zhuǎn)化法。把多個優(yōu)化目標(biāo)變?yōu)橐粋€優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化是轉(zhuǎn)換法的基本原理。在優(yōu)化計算最終解的過程中，通常都是運用特定的優(yōu)化算法去計算結(jié)果，實現(xiàn)對目標(biāo)函數(shù)值的優(yōu)化，比如，多目標(biāo)進(jìn)化算法、多目標(biāo)粒子群算法和蟻群算法、模擬退火算法等。

2.2 優(yōu)化模型的建立

本文針對液壓支架四連桿結(jié)構(gòu)，建立力學(xué)分析模型（結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示），橫向擺動值最小的頂梁端點是遺傳算法參數(shù)化的主要優(yōu)化目標(biāo)，即ω最小。

把優(yōu)化后的參數(shù)在ADAMS中進(jìn)行仿真計算，可驗證所得參數(shù)是否符合要求。文中所選用的遺傳方法即達(dá)到了結(jié)果的準(zhǔn)確又保證了計算的快速性。針對優(yōu)化目標(biāo)，文中對四連桿中的l1、l2、l3、l4和 l5進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 結(jié)果分析

在ADAMS/View中，設(shè)計變量既可以用于存儲數(shù)據(jù)又可以作為參數(shù)設(shè)計過程中的變量[7]。實現(xiàn)參數(shù)變量主要采用的方法是Create Design Variable，變量類型及及取值的選擇是利用變量生成對話框來進(jìn)行的，本文中，設(shè)置設(shè)計變量分別為l1、l2、l3、l4以及l(fā)5長度。

在ADAMS/View中，通過多次連續(xù)迭代計算，得出三種優(yōu)化組合方案。通過反復(fù)的對比分析，文中采用效果更佳的優(yōu)化方案1，如表1所示，優(yōu)化后的頂梁端點軌跡橫向擺動值明顯減小，這對于提升液壓支架的工作效率有著重要的意義。

3 結(jié)語

本文通過Pro/E三維軟件建立了液壓支架的三維模型，并通過Mech/pro導(dǎo)入到了ADAMS當(dāng)中，建立了剛性參數(shù)化的模型，實現(xiàn)動態(tài)特性的數(shù)值模擬，結(jié)果表明，液壓支架頂梁在橫向和垂向的加速度在數(shù)值上有著非常大的差異，其慣性力相對于水平方向而言較大?；贏DAMS對液壓支架的主體四連桿結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，通過連續(xù)迭代計算，得出三種優(yōu)化組合方案，最終采用效果更佳的優(yōu)化方案提升了液壓支架的頂梁前端點的軌跡效率，使得橫向擺動的角位移降至1.2°，得到良好的優(yōu)化效果。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint