基于Matlab软件的挑梁四连杆机构优化设计 (1)

第３１卷第０９期２０１０年０９月

煤矿机械

Ｖ０１．３ＩＮ。０９ＳｅＩ，．２０１０

ＣｏａｌＭｉｎｅＭａｃｈｉｎｅｒｙ

基于Ｍａｔｌａｂ软件的挑梁四连杆机构优化设计

孙鹏飞．孟海岗．孙博，田家宝

（三一重型装备有限公司支护研究院，沈阳１１００２７）

摘要：利用解析法设计四连杆机构，借助现代计算机软件强大的运算功能．可以快速实现四连杆机构相关参数的确定．简化设计过程。简要介绍了基于Ｍａｔｌａｂ软件液压支架挑梁四连杆设计方法，实例表明，应用此方法可缩短设计周期．并达到结构优化的目的。

关键词：液压支架：四连杆；优化设计

ＤｅｓｉｇｎｏｆＦｏｕｒ－ｂａｒ

ＳＵＮ

、

中图分类号：ＴＨｌ２２文献标志码：Ａ文章编号：１００３—０７９４（２０１０）０９—００１４—０３

Ｏｐｔｉｍａｌ

Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ

Ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ＭａｔｌａｂＳｏｆｔｗａｒｅ

Ｐｅｎｇ－Ｆｅｉ，ＭＥＮＧ

Ｈａｉ－ｇａｎｇ，ＳＵＮＢｏ，ＴＩＡＮ

Ｊｉａ－ｂａｏ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｕｐｐｏｒｔ，ＳａｎｙＨｅａｖｙＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇｌ１００２７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒ—ｂａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

ｃａｎ

ｑｕｉｃｋｌｙｃｏｎｆｉｒｍｂｙｍｏｄｅｍｃｏｍｐｕｔｅｒ’Ｓｓｔｒｏｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｔｏ

ｓｈｏｒｔｅｎｄｅｓｉｇｎ’Ｓｐｒｏｃｅｓｓ．Ａｆｏｕｒ－ｂａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ’Ｓｍｅｔｈｏｄｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄ

ｃａｎ

ｒｅｄｕｃｅｄｅｓｉｇｎ’Ｓｔｉｍｅａｎｄｏｂｔａｉｎｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ’Ｓａｉｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔ；ｆｏｕｒ－ｂａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ；ｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎ１１．１

设计原理几何分析

为挑梁与水平方向夹角，妒。为挑梁与ＯＫ．夹角，卢为ＯＫ。与Ｙ轴的夹角。由图１可知

挑梁四连杆在收回状态时如图１所示．在实现超前支护时为３位置（见图２）。沿梁端头方向建立坐标系．顶梁端头部分厚度由图１可知为Ｄ点在ｙ方向纵坐标ｙｏ，Ｑ点为挑梁千斤顶后铰点位置，Ⅳｌ点为１连杆ＰＮ。与２连杆Ｋ。，ｖ。及千斤顶连接铰点，Ｋ。点为３连杆ＯＫ，与２连杆Ｋ。Ⅳ１的铰点，１连杆、２连杆、３连杆长度分别设为￡。、￡：、，Ｌ３；ＰＯ为四连杆机构机架。角度参数ｙ为ＰＮ。与水平方向夹角，ａ，

表４

高度／蛐

ＺＹ６４００／１２，２４立柱垂直夹角表

７００

ｌ

（Ｘ。．－ＸＰ）２＋（ｈ，一ＹＰ）２吐ｊ（ＸⅣ．－Ｘ‘）２＋（Ｙ。．一ＹＫ．）２吐；

（１）（２）

Ｑ

图１收回时１位置示意图

架在让压下降过程中．顶梁对顶板有一个指向煤壁

ｌ枷Ｉ３００

ｌ

２枷２３００２２００２瑚２０００１９００ｌ啪ｌ６００ｌ５００２００

立柱垂直夹自／（ｏ）１９．０６７１９．７８７２０．４５５２１．２１３２２０９６２３．１８ｌ２４３１５２６．１４８２８．１２９３０觚３３３２２３６．６１５４０．４１３

的水平力，以阻止直接顶向采空区滑动．维持顶板的平衡和稳定．有利于机道上方未支护区域的维护。确保在ｌ

５００ｍｍ～２２００

２．４液压支架主要技术参数及配套设备

主要技术参数：支架高度／ｍｍ支架宽度／ｍｍ支架中心距／ｍｍ初撑力／ｋＮ工作阻力，ｌ【Ｎ梁端距／ｎｕｎ

ｌ２００—２４００１４３０一ｌ６００

ｌ５００５０６６６４００３８０～４３５０．８３－０．９５１．８２－２．０７

３１．５

ｍｍ的支撑范围内。支

架梁端距变化量为３６舢。

（２）尽管在支架最低高度时能测量到平衡千斤顶的最长距离．但要关注此时顶梁和掩护梁的夹角。务必保证在最低高度时掩护梁与顶梁背角一定要小于１８００．

参考文献：

［１］王国法．液压支架技术［Ｍ］．北京：煤炭丁业出版社，１９９９．［２３李囝军．煤矿（矿山）综采液压支架设备选型设计、工况分析检测

及液压支架安全运行维护检修实用手册［Ｋ］．北京：中国煤炭出

版社．２００＂／．

支护强度小Ｐａ

对底板比压／ＭＰａ泵站压力／ＭＰａ操纵方式配套设备：采煤机刮板输送机

３结语

［３］王锦，王招．ＺＺ７２００／２０．５／３４型支撑掩护式液压支架设计研究［Ｊ］．

煤矿机械。２０００．２１（７）：５－－６．

【４］房虎林，曹连民．液压支架总体设计分析［Ｊ］．煤矿机械。２００７．２８

本架手动

ＭＧｌ７０／４ｌｌ—ＷＤ

（２）：８—１０．

作者简介：李景辉（１９７４一），黑龙江齐齐哈尔人．毕业于原黑龙江矿业学院机械设计与制造专业，一直从事煤矿支护设备开发Ｔ作，电话：０２４—３１８０８３７５，电子信箱：ｈｂｓｆｙｊｓ＠１６３．ｃｏｌｎ．

ＳＧＺ６３０陀２０

（１）优化支架四连杆机构的设计参数．保证支

—１４～

责任编辑：王海英收稿日期：２０１０—０３—２２

第３１卷第０９期基于Ｍａｔｌａｂ软件的挑梁四连杆机构优化设计——孙鹏飞，等

ＦＩＶＦｏＡＦ叠

２设计思路

Ｖ０１．３１Ｎｏ．０９

由结构限制设定０点和Ｑ点的纵坐标ｙｏ和

Ｊ

ＹＱ，Ｐ点坐标（ＸＰ，如），机架长度Ｌｏ、ａｌ＿０。、ａ３＝３。。

（１）ｌ位置时，依据前梁尺寸设定￡，、ｙ、Ｌ，口初始值．考虑四连杆结构的联接销轴尺寸和强度要求，取ｙ＝２０。，ＬＩ≥１００，Ｌ３≥１００，ｆｌ＝３０。。由图ｌ可知

Ｘ～，＝Ｘ—ＬｔｃｏｓｙＹ，ｖ．＝ｙ一￡ｔｓｉｎｙ

圈２支护时３位置示意图

ｎｌ＋妒ｌ＋／３＝９０。；卢＝ａｒｃｔａｎ（Ｘｘ．ＩＹｘ，）千斤顶长度

５＝Ｖ蕊再瓦再砸再瓦厂

在实现超前支护处于３位置时，由图２可见，妒３＝妒。；按ＭＴ３１２设计规范，此时可确立挑梁与３连

杆夹角ａ乒３。。

１．２受力分析（见图３）

ＸＫ；＝Ｘｏ＋Ｌ３ｓｉｎ／３

比．＝Ｙｏ＋Ｌ３ｃｏｓ届

妒ｌ＝９００—ｄｌ书

￡２＝、／（ｘⅣ．—．Ｙ石．）２＋（ｙ，ｖ。一ｙ《，）２

（２）２位置时，ａ３＝３。，妒３＝妒ｌ，可求得／３＝９０。一ａ３一ｑ０３＝９０。一ＣＸ３－－ｑ０１。则Ｘｘ，＝Ｘｏ－Ｌ３ｓｉｎ／３，ＹＫ，＝Ｙｏ－Ｌ３ｃｏｓ届。由前述几何分析可知

在挑起支顶处于３位置时．由两直线问夹角公式可求得

口芦ａｒｃｏｓ讥晤（ＸＮ黟，－Ｘｐ研）（Ｘ：Ｖ，－Ｘａ）＋忻（ＹＮ晤，－Ｙ府ｐ）（Ｙ丽Ｎ，－ＹｉＫ，）亍蛳ｃ。ｓⅥ晤（Ｘ＃，蹯－Ｘｐ丽）（Ｘ＃，－Ｘｘ，）＋忻（Ｙ＃晤，－Ｙ啊ｏ）（Ｙ砸Ｎ，－意Ｙｏ）亍

、／（ｈ，．ｙ，乒皑，ｖ掣，）２、／（】，Ｍ－ｙＫ净俩虬爿虬）ｚ

、／（ｙⅣ√胳俩Ⅳ掣∥、／（１，Ｍ＿ｙ缸净Ⅸ飓爿ｘ．）２

图３挑梁受力分析示惫图

（Ｘ，ｖ，－ＸＰ）２＋（ＹⅣ，一ＹＰ）２吐ｊ

（Ｘ，ｖ，—‰）２＋（ｙ／ｖ，一Ｙｘ）２吐；

联立求解Ｘ¨ｈ，；为防止机构干涉，判断是否

满足条件ｙⅣ，≥Ｙｅ＋８０，否则￡。＝￡Ｉ＋２０转步骤（１）。

（３）千斤顶伸出长度

ｓＩ－、／雨巧ｉ啄了≮疆ｉｊｉ厂，千斤顶固定段尺

寸参考数值Ｓｏ一３００ｍｍ。设千斤顶最小长度．ｓ。，最大长度Ｊｓ，，则可求得

Ⅳ点受力分析

５ｌ＝５。＋Ｊｓｏ＋（２０～３０）

９Ｆ０

屏一ＦｑＮｃｏｓ盼—们ＯＳ

Ｒ档ｉｎｐ广屁幛ｉｎ

ｐＦ０

（３）（４）

Ｘｏ；‰，＋、／Ｓ｝－（ｙｒｙⅣ，）２

ｓ３＝、／（ｘ旷ｘ～，）２＋（ｙｒｙ＿＿ｖ，）２

为保证挑梁可达到预定位置，判断是否满足条件岛、＜２Ｓ，＋Ｓｏ－１５，否则Ｓｆ－．ｓ。＋１０，转步骤（３）。

（４）为防止机构出现干涉，判断是否满足条件：

式中如、广一挑梁千斤顶推力，由式（３）、式（４）可

求得厢、％；

由点到线距离公式可求得０点到ＫＮ点距离

如—Ａ—ＸＫ－－ＸＮ＝ｒ

ＰＫｌ－、／蕊■瓦再砸ｉ可１＞９０及

ｎ≥１５。．否则Ｌ３＝Ｌ３＋２０转步骤（１）。两连杆力

ＸＫ－－ＸＮ——＿＿ＸＫ，一

、／¨ｃ斧蔫，２

（５）２、３杆均为二力杆，由式（３）、式（４）可求得

在工作状态．四连杆机构承受的外载荷力距０点销轴处越近。则０点销轴力越大，为简化计算，在据采煤机截深确定挑梁尺寸后，力尺距销轴距离ｈ

鼯而（晋托ｏｓ

Ｆ舻Ｆｑ：ｉｎ

Ｏ／ｓｉｎＯｌ

０２）

取为挑梁尺寸的１／３，０点受力为如、勖；对０点受

力分析．得

Ｒｈ＋ｆＲｈｔ＝Ｒ彩ｊ囊鹋ｏｓ（＇ｒｒ一０ｌ一仍）１：肛＋ｊ‰＝０

（５）（６）（７）

由式（５）～式（７）可求得销轴所受力Ｆｏｘ－－－－ＦＮｘｅｏｓ（竹－Ｏｌ一晚）＿皿

Ｒｙ＝一％ｉｎ（ｗ一０ｌ—０２）＋尺

Ｆ＝Ｘ／—Ｆｏｘ２＋—Ｆｏｒ２．通过程序输出结果。

（６）判断￡Ｊ－－－＞３００，否则厶吐１＋２０转步骤（１）；

（７）判断Ｌ３Ｉ＞３００，否则Ｌ３＝Ｌ３＋２０。转步骤（１）；

‰ｓｉｎ（ａｔ一０厂０２）－Ｒ＋Ｆｏｙ＝Ｏ

式中产＿钢板和煤壁的摩擦系数，ｒ欧ｆ－－Ｏ．３。

由式（５）～式（７）可求得销轴所受力

（８）判断Ｂ，＞９０。，否则卢私１５。。

通过Ｍａｔｌａｂ软件编制程序输出图像．从中选择

一１５一

第３１卷第０９期２０１０年０９月

煤矿机械

Ｖ０１．３ｌＮｏ．０９Ｓｅｐ．２０１０

ＣｏａｌＭｉｎｅＭａｃｈｉｎｅｒｙ

立井箕斗定重装载过程仿真及关闸提前量的计算

任中全，俞涛。杨剑

（西安科技大学机械工程学院，西安７１００５４）

要：针对立井箕斗定重装载系统闸门关闭所需提前量难以设定，从而导致实际装载质量与

系统设定值不一致的问题．利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对立井箕斗定重装载过程进行了建模与仿真．并对不

摘

同装载速度下闸门关闭所需的提前量进行了计算．有利于提高系统的装载精度。满足定重装载要求。

关键词：立井箕斗定重装载系统：提前量；仿真：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ

中图分类号：ＴＤ５３１文献标志码：Ａ文章编号：１００３—０７９４（２０１０）０９—００１６—０３

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｏｆＳｋｉｐＷｅｉｇｈｔ－ｆｉｘｅｄＬｏａｄｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＳｈａｆｔａｎｄ

Ｊｈｒａ

ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｔｒｏｂｅＣｌｏｓｉｎｇＡｍｏｕｎｔｉｎＡｄｖａｎｃｅ

ＲＥＮＺｈｏｎｇ－ｑｕａｎ。ＹＵＴａｏ，ＹＡＮＧ

（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）

ａｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｓｕｃｈｔｈｅｓｋｉｐｗｅｉｇｈｔ－ｆｉｘｅｄｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｖｅｒｔｉｃａｌｓｈａｆｔｉｓ

ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｓｅｔｔｈｅｓｔｒｏｂｅｃｌｏｓｉｎｇａｍｏｕｎｔｉｎａｄｖａｎｃｅ，ｔｈｅａｃｔｕａｌｌｏａｄｗｅｉｇｈｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｅｔｔｉｎｇ，ｔａｋｅ

ｕｓｅ

ｏｆｓｉｍｕｌｉｎｋｓｏｆｔｗａｒｅｂｕｉｌｄｍｏｄｅｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｓｔｒｏｂｅｃｌｏｓｉｎｇ

ａｍｏｕｎｔｏｆａｄｖａｎｃｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｅｄｓ，ｈｅｌｐｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｗｅｉｇｈｔ－ｆｉｘｅｄｌｏａｄｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｋｉｐｗｅｉｇｈｔ

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ

｝陕西省教育厅专项基金（０９ＪＫ５７４）

４ｘｅｄ

ｌｏａｄｉｎｇ

ｓｙｓｔｅｍｉｎ

ｖｅａｉｃａｌ

ｓｈａｆｔ；ａｍｏｕｎｔ

ｉｎ

ａｄｖａｎｃｅ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；

ｅ石世手＾兰写吧分ｅ写ｑ乒ｈ２写峪ｅ石Ｙ；孓。石＼！彳－＼窖君也；乱２写吧尔！；＝、譬君亡＃玉Ｓ宕也晶Ｎ哆齐￡石＼！手ｈ｝右世；ｈ巴写吧；＾Ｓ写世石＾ｇ写世乒乱！分七石＼－ｆｈ竺＝吧；ｈ绵蛤ｅ矗＼！彳ｈ蝓！盒！右吧分

满足条件．且连杆受力情况较好的一组数据作为设计初始参考值。３应用实例

以上叙述了利用Ｍａｄａｂ软件编程设计四连杆机构原理及步骤，下面以实际工作中某支架为例，简述设计过程：

据技术协议．该支架选用两柱掩护式伸缩式顶梁．如几何分析中所述建坐标系如图４。

差

ＬＪＩｍ

图４前梁主要铰点坐标示意圈

图６

Ｆ随口、Ｌ，变化曲线

铰点Ｏ坐标为（８６，１７０），Ｐ坐标（１７０，１６５），后１．＃－－４５０２．／３＝３０。

铰点Ｑ坐标（勘，２５１），设ｌ、３连杆长为Ｌ。和￡，，两

连杆受力为Ｆ，口为３连杆与Ｙ轴夹角，通过Ｍａｔｌａｂ软件编制程序输出图像如图５、图６所示。

由图可见．连杆力Ｆ随连杆长度及夹角呈类抛物线规律变化。参考，随各参数变化图像及￡。、三：两连杆夹角ｐ数值大小．可以有效指导四连杆机构初始方案的确立，为设计指引方向。

参考文献：

［１］冯鉴，何俊，雷智翔．机械原理［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，

２００８．

『２１中华人民共和围煤炭行业标准．ｂｉＴ３１２—２０００液压支架通用技术

条件［Ｓ］．北京：煤炭Ｔ业出版社，２００１

作者简介：孙鹏飞（１９８１一），山东威海人，毕业于大连交通大学机械丁程专业．现于沈阳三一重型装备有限公司支护研究院从事煤

ＬＩ／ｍｍ

图５

Ｆ随Ｌ。、厶变化曲线

矿机械设计与研发Ｔ＿作．电子信箱：ｓｕｎｐｅｎｇｆｅｉｄｌ＠１６３．ｃｏｒｎ．

责任编辑：王海英收稿日期：２０１０—０４—０２

１．Ｌｓ＝１５０２．Ｌｓ＝１８０３．Ｌｌ＝２１０

—１６—

基于Matlab软件的挑梁四连杆机构优化设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

孙鹏飞， 孟海岗， 孙博， 田家宝， SUN Peng-Fei， MENG Hai-gang， SUN Bo， TIANJia-bao

三一重型装备有限公司,支护研究院,沈阳,110027煤矿机械

COAL MINE MACHINERY2010,31(9)

参考文献(2条)

1.MT312-2000液压支架通用技术条件 20012.冯鉴;何俊;雷智翔 机械原理 2008

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2. 王春华.潘宇鹏.WANG Chunhua.PAN Yupeng 基于MATLAB的液压支架四连杆机构的设计计算[期刊论文]-世界科技研究与发展2010,32(2)

3. 刘刚.LIU Gang 液压支架四连杆机构的运动分析和优化设计[期刊论文]-煤矿机电2009(6)4. 苗耀华.MIAO Yao-hua 放顶煤液压支架四连杆机构优化设计[期刊论文]-煤炭工程2007(6)

5. 叶铁丽.李民.刘欣丽.YE Tie-li.LI Min.LIU Xin-li 液压支架四连杆机构优化设计及运动仿真[期刊论文]-煤矿机械2009,30(5)

6. 郑晓雯.王丹.王耀辉.ZHENG Xiao-wen.WANG Dan.WANG Yao-hui 改进的液压支架四连杆机构的优化设计[期刊论文]-煤矿机械2009,30(10)

7. 魏宏伟.王启广.洪建云.王晓华.WEI Hong-wei.WANG Qi-guang.HONG Jian-yun.WANG Xiao-hua 基于Matlab的液压支架顶梁断面参数优化设计[期刊论文]-煤矿机械2010,31(9)

8. 曹必德.秦东晨.倪和平.胡敏.CAO Bi-de.QIN Dong-chen.NI He-ping.HU Min 液压支架四连杆机构仿真优化[期刊论文]-煤矿机电2006(5)

9. 牛艳奇.NIU Yan-qi 液压支架四连杆机构分析及参数化、可视化程序设计[期刊论文]-煤矿机械2010,31(8)10. 张海军.李炳文.姚新华.赵化兰.ZHANG Hai-jun.LI Bing-wen.YAO Xin-hua.ZHAO Hua-lan 基于Scilab的液压支架四连杆优化设计[期刊论文]-煤矿机械2009,30(4)

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