基于ADAMS和SolidWorks的薄煤层液压支架的运动分析

张建中　张立群　董辉　苏燕　丁姝艳

摘 要：本文根据薄煤层液压支架的特点，用ADAMS对液压支架的四连杆机构进行了运动仿真及分析；应用SolidWorks软件对该机构的进行了运动分析，验证了薄煤层液压支架的四连杆机构的合理性。

关键词：薄煤层液压支架；四连杆机构；仿真分析

Abstract：In this paper，thefour-bar linkage of hydraulic support is analyzed in the simulation on ADAMS which is based on the characteristics of thin coal seam hydraulic support. Thefour-bar linkage of hydraulic support is analyzed in the simulation on ADAMS.The movement of four-bar linkage is analyzed in SolidWorks， and its rationality is verified.

Key words：thin seam hydraulic support；four-bar linkage；simulation analysis

随着煤矿综采设备及其相关技术的飞速发展和为适应经济发展速度而加快煤矿开采进程，加大了对厚煤层和中厚煤层的开采力度使之有采尽的危险，进而显示出开采薄煤层的重要性。

薄煤层液压支架是开采薄煤层煤炭资源的重要支护设备，对其进行开发有助于薄煤层落后开采技术的换代升级且符合薄煤层开采机械化的要求。

由于薄煤层液压支架在煤矿开采的过程中需要有很大的伸缩比，因此，设计合理的四连杆机构将成为关键。

1 四连杆机构的构成

薄煤层液压支架四连杆机构的组成部分有前连杆、后连杆、掩护梁和底座。其位置关系是：

1）掩护梁的上端是通过铰链与支架的顶梁连接的，其下端分别与前连杆和后连杆连接；

2）底座的后端是与前连杆和后连杆成铰链连接的，其前端是与支架的推移千斤顶连接得。

研究发现四连杆机构的运动会严重影响薄煤层液压支架顶梁前端点的运动轨迹，故通过研究分析四连杆运动需要尽可能的减小液压支架的梁端距，从而能使顶梁端的支护力增大。

在掩护式薄煤层液壓支架的结构中四连杆机构是最重要的机构之一，它的主要作用是在液压支架向下运动的过程中使支架顶梁前端点的运动轨迹呈现近似伯努利双纽线状的同时能够缩小梁端距的变化范围；能够增大液压支架所能承受的横向力与扭矩。

2 应用ADAMS分析

2.1 在ADAMS中建立模型

通过采用多杆件代替四连杆机构的掩护梁、前连杆、后连杆和底座建立其简化模型，同时，各构件间的间隙忽略不计，在不影响仿真结果的情况下，将掩护梁、前连杆、后连杆和底座设置在同一平面内。按表1的坐标值建立平面内各杆件的坐标点建立四连杆简化模型，简化模型如图1所示。

2.2 顶梁前端点轨迹的仿真分析

对该简化模型添加运动副及约束，由于在薄煤层液压支架运动的过程中，支架的顶梁和底座之间的关系是平行的，所以支架的顶梁与掩护梁上端发生铰接的点的运动轨迹与顶梁前端点的是相同的，故顶梁的前端点可以用两者铰接的上铰接点来代替。

假设该液压支架可以支撑的最大高度是850mm，最小高度为450mm，该简化模型的运动高度为支撑高度减掉上铰接点到顶面的距离和下铰接点（后连杆与底座相铰接的点）到底板的距离，取值范围是700～250mm。在ADAMS软件中，设置仿真起始位置高度为700mm，单击仿真工具按钮后，该模型从上往下运动，上铰接点运动轨迹曲线如图2所示。

由图2可知，当四连杆机构的简化模型从最高位置向最低位置运动时，上铰接点的运动轨迹为向前凸的一段，说明顶梁是向煤壁的方向移动的。

此时，顶板受到来自煤壁的压力，立柱会受压向下运动，为防止岩石向后运动顶梁将向前运动，并且会使得顶梁上的摩擦力方向指向煤层的采空区，则支架会有顺时针转动的趋势，在增加顶梁前端支护力的同时减小底座前端比压，故该四连杆机构的运动是符合设计要求的。

通过观察图中横坐标，可以得到：液压支架从最高位置向最低位置运动时，梁端发生水平摆动的范围为17mm，是小于设计要求的。所以设计的四连杆机构是合理的。

3应用SolidWorks分析

3.1 在SolidWorks中建立模型

薄煤层液压支架一般是由钢板焊接而成的，本液压支架的材料主要以Q550为主，在SolidWorks三维软件中建立的虚拟样机如图3所示。

3.2 应用SolidWorks Motion做运动分析

在液压支架的实体模型上添加驱动力，其运动副会在软件中自动生成，设置仿真参数开始运动分析，得到的顶梁前端点运动轨迹曲线图如图4所示。

由上图可知，该支架从最高位置向最低位置运动时，其顶梁前端点的横坐标是在20mm的范围内变化的，和上文应用ADAMS软件仿真得到的轨迹形状类似，在可接受范围内。会产生如此差异的原因是支架在装配过程中存在误差进而影响运动过程和坐标原点在选取上存在不同。

4 结语

通过对薄煤层液压支架的四连杆机构应用ADAMS软件进行仿真分析和应用SolidWorks软件进行运动分析，验证了所设计的四连杆机构结构合理，效果较好，为薄煤层液压支架进行更加深入的设计提供了有力的依据。

同时证明了用软件分析薄煤层液压支架运动的方法是行得通的，此方法将会大大缩短设计周期和节约设计成本，非常适合在生产薄煤层液压支架的企业中进行该设计方法的推广。

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作者简介：

张建中（1960-），男，汉族，山东曹县人，现任山东科技大学机械工程系党委书记，博士，教授，硕士生导师，主要从事机械设计理论、机电一体化以及矿山机械方面的研究工作。