外文翻译---大倾角液压支架四连杆机构的设计

外文原文：
中文译文：
大倾角液压支架四连杆机构的设计
摘要：四连杆机构是液压支架起保护作用的重要组件之一。

在大倾角液压支架的设计中，ADAMS 被第一次用在了参数化模型、仿真和最优化的求解过程中，然后根据三维尺寸模型，通过COSMOS/Works 对顶梁的前向扭转载荷进行有限元分析。

用这种方法得到的结果验证了四连杆机构设计的可行性，而且非常好得满足了要求。

这种方法提高了液压支架的设计效率，缩短了设计周期。

关键词：液压支架；四连杆机构；优化设计；ADAMS ；有限元分析
1简介
四连杆机构是液压支架起保护作用的重要组件之一。

它主要有两方面的功能：第一，为了在立柱伸缩过程中，能保持顶梁垂直的移动，因此需要在顶梁和煤壁之间保持稳定的距离。

四连杆机构被视为最能满足这种要求的。

第二，它保证了支架能够承受一定的水平载荷。

在设计大倾角液压支架的过程中，四连杆机构的优化设计是一项十分重要的任务。

它的结构尺寸将直接影响到支架的性能状况。

在传统的设计过程中，经常使用的是BASIC 编程，但是结果经常不能满足设计的要求，也不能获得最优解。

现在，ADAMS 被越来越广泛得应用到机械动态设计过程中。

因此，本文就是运用ADAMS 对四连杆机构进行建模和仿真，进而获得最优解。

为了验证四连杆机构设计的可行性，用COSMOS/WORKS 进行了有限元分析。

2四连杆机构尺寸计算
图1是支架在最大支撑高度的状态下，对四连杆机构尺寸作出的假设：
2211111;;;;;;;;;
;;tan .o a A ab B cb C cd D o d E ae G A B S e b F Jo S Je L I I U G G L θ=============
图1：四连杆机构的参数
2.1 后连杆和掩护梁尺寸的计算
如图2，如果H1确定了，可得到掩护梁的尺寸：
1
11sin()sin()
H G P I Q =+⋅ (1)
后连杆尺寸为：
A I G =⋅(2)
前后连杆绞点之间的距离为：
1B I G =⋅ (3)
前连杆最高点和掩护梁最高点之间的距离为：
F G B =-(4)
后连杆底部和坐标原点之间的距离是E1，如图二所示。

图2：四连杆机构的几何关系
2.2 前连杆长度和尺寸的计算
1）b1点坐标
当支架处于最高位置H1时，b1点坐标为：
11cos()x F P =⋅ (5) 111sin()y H F P =-⋅(6)
2）b2点坐标
当支架处于最低位置H2时，b2点坐标为：
22cos()x F P =⋅(7)
222sin()sin()y B P A Q =⋅-⋅(8)
根据几何学要求，当支架处在最低位置时，必须保证Q2≥25°~ 30°，这里假设Q2为25°，
212arctan cos()
P =+⋅(9)
3）b3点坐标
当后连杆和掩护梁处于垂直位置时，b3点坐标为：
33cos()x F P =⋅(10)
333sin()sin()y B P A Q =⋅-⋅
(11)
3(arctan arctan 2E A
P G π
=-+(12)
332
Q P π
=
- (13)
4）c 点坐标
因为前连杆长度不会发生变化，所以==123cb cb cb ，故而通过圆的方程可求出c 点坐标：
2222222231312323233131233123()()()()2[()()()()]
c x x y y y y x x y y y y x x x y y y y x x -+-⋅---+-⋅-=-⋅---⋅-(14)
2222222223233131312331233123()()()()
2[()()()()]
c
x x y y x x x x y y x x y x x y y y y x x -+-⋅---+-⋅-=
-⋅---⋅-(15)
前连杆的长度和角度便可以通过c 点坐标来获得。

2.3 D （cd ）、E （o2d ）长度的计算
当得到c 点坐标后，D 、E 长度为：
c D y = (16)
1c E E x =- (17)
把顶梁端点的运动轨迹为斜线作为目标函数，通过程序的到的结果如下所示：
θ=tan 0.338= 175.10Q = 229.98Q = 159.96P = 215.09P
988.78A mm =295.56B mm =995.82C mm =367.30D mm =
421.91E mm =1343.45G mm =
3四连杆机构尺寸参数的优化
通过图1对尺寸的定义和程序计算得到的结果，便可以通过ADAMS/VIEW 对四连杆机构进行建模。

通过分析仿真结果可知，计算机程序得到的尺寸参数并不是最佳结果，所以应当通过参数化建模的方法来获得最佳结果，更好的满足设计要求。

在参数化建模的过程中，每一个绞点都被认为是变量，通过对变量结果的分析来来得到设计结果，如表1所示：
表1. 每个变量的设计结果
从表1中可以获得设计变量的变化范围和灵敏度。

MSC.ADAMS/VIEW 可以为调查报告提供各种变化的情况，这其中就包括了灵敏度的变化。

如表1，DV-1、DV-2、DV-4、DV-6的灵敏度最大，说明这四个量对优化结果的影响最大。

四个敏感点确定以后，通过对设计变量变化曲线的比较，来取得最佳的设计结果。

通过运行最优化程序，四个设计变量得到了最优化。

最后，通过分析和计算得到四连杆机构的最佳模型尺寸。

157.59Q = 224.90Q = 146.40P = 990A mm =
260B mm =1125C mm =265D mm =478E mm =1155G mm =
借助ADAMS 软件，根据计算得到的尺寸对四连杆机构进行建模，然后通过仿真轨迹对绞点进行分析，如图3所示。

图3.优化后的轨迹曲线
分析可知，优化后的结果充分的满足了液压支架的设计要求。

4液压支架的有限元分析
根据计算得到的四连杆结构尺寸，装配上液压支架的其他部件，便可得到液压支架的三维模型，如图4所示。

利用COSMOS/WORKS 软件，可得到液压支架在正向扭转载荷下的
有限元分析模型。

图4. 液压支架的三维模型
4.1 有限元分析结果
通过运行有限元程序，COSMOS/WORKS将结果以图形的形式显示出来。

结果的图示可以根据需要进行修改。

例如，应力、应变和应力的动态变化，，总体的局部图也可以获得，如图5所示。

(a) 前扭转荷载位移
(b) 前扭转荷载应力
(c) 前扭转荷载应变
(d) 前扭负载局部应力
根据计算结果，液压之架的最大变形量是11.63mm，等效前梁的压力为562.7Mpa，等效应变为3.503E-03。

所有绞点的情况可从表2中看到。

4.2 数据分析
最大的应力应变大概围绕着顶梁，特别是焊接接缝处。

立柱受到的载荷也是不一样的。

前后立柱靠近载荷的一侧受到的应力大于另外一侧。

在载荷的作用下，顶梁前面受到的影响十分明显。

顶梁后面受到了一致的影响。

如果载荷太大的话，整个支架会有一种扭转的趋势。

从表二中可以看出，掩护梁和顶梁的左右铰接点受到的阻力是不一样的。

前连杆和掩护梁、后连杆和掩护梁、后连杆和底座、前连杆和底座受到的阻力是比较大的。

从强度分析可以看出，最大应力的分布是部分区域的。

因此，高强度的钢铁经常用到大应力的区域来提高机械强度。

这种液压支架完全满足实际的使用标准，也符合大倾角的使用条件。

5结语
应用ADAMS软件不仅能进行参数建模、运动轨迹仿真和大倾角液压支架的优化设计，还可以进行动态有限元分析。

通过整个支架的有限元分析，验证了四连杆机构优化设计的可行性，同时得出支架的应力分布状况。

这样设计出来的液压支架完全达到了煤矿的使用
标准，满足了大倾角的使用要求。

这种方法提高了液压支架的设计效率，缩短了设计周期。