王亚军

【摘 要】液压支架对于煤矿综采是一种非常重要的支护设备。分别采用PRO/E和ADAMS建立液压支架三维模型并完成动力学分析。液压支架模型的导入、约束和载荷的定义均基于接口軟件Mech/pro进行设置，该模型的动力学分析采用了参数化方法，在ADAMS中进行仿真与模拟，计算结果表明：液压支架的顶梁在运动过程中，横向与垂向平均加速度的波动形状相似，但数值差异较大。在优化研究方面，采用基于ADAMS的CAE优化技术，对液压支架的四连杆机构尺寸进行优化设计，降低了顶梁端点横向摆动的角位移，从而使得液压支架的支护效率得到明显改善。

【关键词】动力学；液压支架；参数化；优化

0 引言

随着煤矿综采水平的提升，增强液压支架的研发技术、提高液压支架的设计水平、提升液压支架的可靠性成为产品竞争力的基本功能需求[1]。随着机电技术的发展和进步，液压支架的动态分析与优化成为热点研究问题。良好的液压支架设计，可使得采煤工作面的移架和推溜速度得到大幅度提升，加强采煤工作面的顶板的支护强度，为煤矿工人提供更加优越的采煤条件，并且能够减小企业生产成本。对于液压支架的结构优化研究，不但可以提升整机设备的支护效率，而且能够在保证煤炭工人的工作环境和生产条件改善的同时降低提高生产效益。

在煤矿生产中，井下工程技术人员控制着液压支架的大部分功能，这部分人员熟练掌控着液压支架的运行和维护，然而却很少对液压支架进行深度的研究。一般地，在液压支架的绝大部分生产厂商中，专业的从事液压支架的研发工程技术人员很少把精力放在液压支架的动态特性的分析上，针对液压支架的动态特性进行改善和优化提高的内容就更少，缺少人才和技术支撑，其设计研发内容主要集中于结构分析[2-3]。通常，技术人员提升研发效率的方法只是在原来的液压支架的结构基础上通过简单的调整液压系统，将其性能提高和改善，没有充分的理论研究和分析计算支撑，厂家在开发新产品的过程中只能通过不断制作新的实验样机，并且需要大量的重复的调试试验，在样机调试过程中任何微小问题的出现，都有极大的可能无法找到问题出现的原因，从而再进行反复的试验，直到问题解决才能更进一步的设计和优化，此种方法通过无数次不间断的试验，并在此基础上做出无数次调试和改进，才能开发和设计出新的产品。

近几年，CAD和CAE技术得到快速的发展和广泛的应用，对于液压支架的设计与研究，也从经验计算和校核这种最原始的方法过度到动态数值模拟分析的方向上。为此，本文运用数值模拟的方法对液压支架的动力学特性进行分析和与优化，提升设备的支护效率，增加此设备带来的经济效益和社会效益。

1 液压支架系统的动力学仿真

1.1 ADAMS简介

ADAMS是目前公认程度最高的动力学分析软件之一，它是由美国MDI公司开发出来的，通过多次不同版本的更新以及功能的逐步完善，现如今已经成为广泛应用的虚拟样机分析软件[4]。ADAMS应用到各个国家的各个不同的领域，占据了全球很大一部分的使用份额，无论从技术方面还是从经济方面而言，都取得了非常大的成功。ADAMS采用的是用户交互式界面，集结了多种分析模块，其主要功能有：（1）可以进行系统的动力学以及动力学分析；（2）可以对液压系统进行模拟仿真；（3）可以对模型进行振动模拟的仿真。ADAMS还拥有十分强大的数据处理能力，可以根据用户的不同需求，得出相应的特性曲线，后处理模块能够保证分析结果的清晰度和准确度。在动力学分析中，多刚体系统动力学理论中的核心为拉格朗日方程方法，可适用于多种复杂多变的刚性系统。利用ADAMS软件，用户可以十分方便地对虚拟系统进行全面的静力学、运动学和动力学分析，并且基于虚拟样机的算法和技术进行模型的二次分析、开发和优化。ADAMS具有开放性特点，具备多程序结构和多种接口，使其成为一种多功能分析平台，分析结果可信程度高，特别适用于多自由度系统的动态特性分析。

1.2 参数化模型的建立

在本文的研究中，液压支架的参数化建模[5]主要基于三维软件PRO/E完成。PRO/E是由美国的PTC公司研发出的一款不仅能进行三维零件设计，而且还能进行三维零件装配的造型软件，能够实现装配体的整体或者局部运动过程的数值模拟，是现阶段最具有代表性三维CAD软件之一。Pro/E在windows平台下融合了参数化造型技术和变量化造型技术的三维实体造型系统，其具有十分强大的的机械装配设计和绘图功能，能够方便地与ANSYS、FLUENT、MATLAB等应用分析软件进行数据间转换和链接操作。Pro/E具有及其强大的建模功能，它不仅能完成复杂的造型设计和装配设计，将各类零件、装配件等实体进行投影并最终生成二维工程图，符合我国绘制标准，投影精度很高，在很大的程度上简化了液压支架及其零部件的设计过程。在Pro/E中，组件模块提供了很多种的约束类型和连接形式，约束类型包括“匹配”、“对齐”、“插入”、“坐标系”等，这些约束类型可以完成相对静止的参照设置；连接形式包括 “销连接”、 “平面连接”等，这些链接类型可以完成转动副或者平移副的定义。一般情况下，装配体的约束类型需要根据实际的自由度来确定连接形式。针对液压支架的机构特点，参数化模型在建立的时候需要综合运用约束和连接，而且保证机构处于完全约束状态，即驱动构件数量与自由度数量一致。

本文以某型号的垂直梁式液压支架为研究对象进行建模分析，该类型的液压支架由插板、导杆、掩护梁、顶梁、底座、立柱等部件组成。为了将液压支架的分析过程变得更加简便，本文将组成部件分为两大类，一类为组焊件，另一类为组装件。 其中，组焊件通过钢板或圆管的焊接工艺而连接在一起，形成的连接为刚性连接，因此各部分之间相对位置是固定不变的，可直接按照装配关系或连接关系进行完全装配；组装件需要考虑运动自由度问题，根据旋转副和移动副的特点进行装配，实现不同状态下的液压支架进行动态分析。endprint

Mech/pro是MSC公司开发的，为ADAMS实现数据无缝接入的连接软件。文中液压支架的参数化模型可以通过该软件连接ADAMS与PRO/E，实现系统动力学模型的参数化转换，使虚拟样机模型的动力学和运动学计算更加高效。Mech/pro可以在 Pro/E中直接定义模型的刚体特性和相关的自由度约束，并将其传递到ADAMS中，实现全面的动力学联合仿真分析。

在本文中，首先通过Pro/E三维软件建立液压支架的装配图模型，再通过Mech/pro接口软件，完成虚拟样机参数化转化并导入到ADAMS中。在液压支架的动力学分析中，需要根据实际工作条件设置不同的约束类型和连接形式，从而实现液压支架的虚拟装配和运动仿真。为了对液压支架进行更加精确地运动仿真，文中对四个立柱和各个油缸两端的销孔与其相关部件上耳座之间采用“销连接”；活塞杆与缸体之间、插板与掩护梁之间、导杆与导向筒、前伸梁与顶梁之间采用“滑动连接”。通过Mech/pro软件，不仅仿真模型的相似度得到提升，工作效率也同样得到提高。当在接口软件中施加约束时，可以直接参选零件的各个特征，在导出的数据中包含有接口软件中的所有数据，真正地实现了无缝参数化转换。为了操作方便，能在 Mech/pro 中添加约束的尽量在 Mech/pro 中添加。动力学分析软件ADAMS能够直接识别的文件为cmd，通过该文件的导入，可得到参数化的液压支架虚拟样机模型，最终各个约束在ADAMS中如图1所示。

1.3 结果分析

為了更好的模拟仿真液压支架的运动学特性，需要完成边界条件的定义。根据工况，文中定义顶梁驱动电机的垂向速度为6mm/s，并设定支架从3000mm处开始运行。根据支护分析结果，对顶梁处和底座处添加载荷。在液压支架虚拟样机的载荷条件中，底座两端施加的支撑力是由底座实际工况中的支撑力简化而来的，因此，为了更接近实际工况条件，文中将顶梁的压力载荷按照结构进行分散处理。在ADAMS中，设置液压支架升降运动为匀速运动，并且建立支架动载荷随时间变化的关系，从而可以计算出液压支架在不同高度下所对应的动力学特性，研究液压支架的承载能力与支架高度变化之间的关系。在完成系统的设定之后，即可以进行动力学仿真分析，最终得到顶梁在空间（横向与垂向）运动的曲线图分别如图2所示。

根据图2中的分析结果可知：液压支架顶梁在横向的运动较为稳定，加速度变化较为平缓，液压支架在移动支护过程中，水平方向的惯性附加力比较小，惯性频率较低；在竖直方向上，液压支架的运动特性和横向方向相似，但平均加速度在数值上为横向方向的10倍以上，其惯性力相对于水平方向而言较大。为了适应液压支架的支护方向，需要进一步对液压支架的四连杆结构进行优化分析和设计。

2 液压支架连杆系统优化

2.1 优化原理

本文对液压支架连机构的优化方法主要基于ADAMS。在ADAMS中，采用优化变量是应用最多的参数化分析方法之一，它不但可以定义用户本身的参数变量，同时还可以关联仿真对象进行结果分析[6]。在ADAMS/View中，为设计变量的选择提供了一种可靠的设计方法，可以清晰的显示各个参数，这样就能很方便地观察、修改各个参数变量值。在给定初始参数后，通过参数化的选择，可以将设计变量在一定的变化范围内连续取值，进行相应的分析，从而完成参变量的优化。ADAMS主要提供了设计研究、试验设计和优化分析等三种参变量的研究方法。

通常，对于需要进行优化的变量在整个分析研究中是与其它变量相互关联的，不同的变量之间存在着不同的函数关系。在优化结果的计算中，必须使优化变量保持对目标函数的一致性，为此必须转换参数变量，若不进行参数变量的转换，得出的优化结果不仅使用户无法明确的选择参变量，甚至得到的优化结果也不理想，无法有效地分析液压支架的结构性能。本文将液压支架的四杆机构作为优化结构，优化目标多个，因此计算结果也会出现不同的数值，每个优化计算得出的数值都是独立的，无法得出它们之间的关系，基于此种结果，必须通过某种方法使计算结果的数值唯一。现今，在对模型进行优化时，有三种主要方法可使用户在计算中得到最终解：（1）生成法。这种方法是计算出无数的对分析优化结果有用的数值，将这些数值构成求解子集，然后通过筛选校正这些子集得到最优解；（2）交互法。交互法的应用对研究人员自身具备的经验和学术水平要求较高，是研究人员直接对得到的多个解进行有效地判断和分析，从而得到最优解；（3）转化法。把多个优化目标变为一个优化目标进行优化是转换法的基本原理。在优化计算最终解的过程中，通常都是运用特定的优化算法去计算结果，实现对目标函数值的优化，比如，多目标进化算法、多目标粒子群算法和蚁群算法、模拟退火算法等。

2.2 优化模型的建立

本文针对液压支架四连杆结构，建立力学分析模型（结构参数如图3所示），横向摆动值最小的顶梁端点是遗传算法参数化的主要优化目标，即ω最小。

把优化后的参数在ADAMS中进行仿真计算，可验证所得参数是否符合要求。文中所选用的遗传方法即达到了结果的准确又保证了计算的快速性。针对优化目标，文中对四连杆中的l1、l2、l3、l4和 l5进行优化。

2.3 结果分析

在ADAMS/View中，设计变量既可以用于存储数据又可以作为参数设计过程中的变量[7]。实现参数变量主要采用的方法是Create Design Variable，变量类型及及取值的选择是利用变量生成对话框来进行的，本文中，设置设计变量分别为l1、l2、l3、l4以及l5长度。

在ADAMS/View中，通过多次连续迭代计算，得出三种优化组合方案。通过反复的对比分析，文中采用效果更佳的优化方案1，如表1所示，优化后的顶梁端点轨迹横向摆动值明显减小，这对于提升液压支架的工作效率有着重要的意义。

3 结语

本文通过Pro/E三维软件建立了液压支架的三维模型，并通过Mech/pro导入到了ADAMS当中，建立了刚性参数化的模型，实现动态特性的数值模拟，结果表明，液压支架顶梁在横向和垂向的加速度在数值上有着非常大的差异，其惯性力相对于水平方向而言较大。基于ADAMS对液压支架的主体四连杆结构尺寸进行了优化，通过连续迭代计算，得出三种优化组合方案，最终采用效果更佳的优化方案提升了液压支架的顶梁前端点的轨迹效率，使得横向摆动的角位移降至1.2°，得到良好的优化效果。

【参考文献】

[1]王国法.液压支架技术体系研究与实践[J].煤炭学报，2010，35（11）：1903-1908.

[2]赵宏珠，宋秋爽.特大采高液压支架发展与研究[J].采矿与安全工程学报， 2007，24（3）：265-269.

[3]王国法.工作面支护与液压支架技术理论体系[J].煤炭学报，2014，39（8）：1593-1601.

[4]王立新，李震，王锁吉.基于ADAMS的液压支架运动学分析[J].煤矿机械， 2008，29（12）：82-84.

[5]蔡余龙，秦东晨，武红霞，等.基于Pro/E和ADAMS的液压支架虚拟样机建模与仿真研究[J].煤矿机械，2009，30（11）：36-38.

[6]章强，涂少伍，朱维柱，等.基于ADAMS的两柱放顶煤液压支架运动仿真分析[J].煤炭技术，2015（11）：301-302.

[7]蔡文书.基于SolidWorks和ADAMS的液压支架动力学仿真[J].中州煤炭， 2016（4）：99-102.

[责任编辑：朱丽娜]endprint