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分析。液壓支架模型的導入、約束和載荷的定義均基于接口軟件Mech/pro進行設置，該模型的動力學分析采用了參數(shù)化方法，在ADAMS中進行仿真與模擬，計算結果表明：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，對液壓支架的四連桿機構尺寸進行優(yōu)化設計，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。

【關鍵詞】動力學；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、提高液壓支架的設計水平、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]。隨著機電技術的發(fā)展和進步，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。對于液壓支架的結構優(yōu)化研究，不但可以提升整機設備的支護效率，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)特性進行改善和優(yōu)化提高的內(nèi)容就更少，缺少人才和技術支撐，其設計研發(fā)內(nèi)容主要集中于結構分析[2-3]。通常，技術人員提升研發(fā)效率的方法只是在原來的液壓支架的結構基礎上通過簡單的調整液壓系統(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的調試試驗，在樣機調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，從而再進行反復的試驗，直到問題解決才能更進一步的設計和優(yōu)化，此種方法通過無數(shù)次不間斷的試驗，并在此基礎上做出無數(shù)次調試和改進，才能開發(fā)和設計出新的產(chǎn)品。

近幾年，CAD和CAE技術得到快速的發(fā)展和廣泛的應用，對于液壓支架的設計與研究，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特性進行分析和與優(yōu)化，提升設備的支護效率，增加此設備帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 液壓支架系統(tǒng)的動力學仿真

1.1 ADAMS簡介

ADAMS是目前公認程度最高的動力學分析軟件之一，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)成為廣泛應用的虛擬樣機分析軟件[4]。ADAMS應用到各個國家的各個不同的領域，占據(jù)了全球很大一部分的使用份額，無論從技術方面還是從經(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，集結了多種分析模塊，其主要功能有：（1）可以進行系統(tǒng)的動力學以及動力學分析；（2）可以對液壓系統(tǒng)進行模擬仿真；（3）可以對模型進行振動模擬的仿真。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，得出相應的特性曲線，后處理模塊能夠保證分析結果的清晰度和準確度。在動力學分析中，多剛體系統(tǒng)動力學理論中的核心為拉格朗日方程方法，可適用于多種復雜多變的剛性系統(tǒng)。利用ADAMS軟件，用戶可以十分方便地對虛擬系統(tǒng)進行全面的靜力學、運動學和動力學分析，并且基于虛擬樣機的算法和技術進行模型的二次分析、開發(fā)和優(yōu)化。ADAMS具有開放性特點，具備多程序結構和多種接口，使其成為一種多功能分析平臺，分析結果可信程度高，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)出的一款不僅能進行三維零件設計，而且還能進行三維零件裝配的造型軟件，能夠實現(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)化造型技術和變量化造型技術的三維實體造型系統(tǒng)，其具有十分強大的的機械裝配設計和繪圖功能，能夠方便地與ANSYS、FLUENT、MATLAB等應用分析軟件進行數(shù)據(jù)間轉換和鏈接操作。Pro/E具有及其強大的建模功能，它不僅能完成復雜的造型設計和裝配設計，將各類零件、裝配件等實體進行投影并最終生成二維工程圖，符合我國繪制標準，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”、“坐標系”等，這些約束類型可以完成相對靜止的參照設置；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，而且保證機構處于完全約束狀態(tài)，即驅動構件數(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行建模分析，該類型的液壓支架由插板、導桿、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，可直接按照裝配關系或連接關系進行完全裝配；組裝件需要考慮運動自由度問題，根據(jù)旋轉副和移動副的特點進行裝配，實現(xiàn)不同狀態(tài)下的液壓支架進行動態(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)動力學模型的參數(shù)化轉換，使虛擬樣機模型的動力學和運動學計算更加高效。Mech/pro可以在 Pro/E中直接定義模型的剛體特性和相關的自由度約束，并將其傳遞到ADAMS中，實現(xiàn)全面的動力學聯(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)化轉化并導入到ADAMS中。在液壓支架的動力學分析中，需要根據(jù)實際工作條件設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、導桿與導向筒、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。動力學分析軟件ADAMS能夠直接識別的文件為cmd，通過該文件的導入，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 結果分析

為了更好的模擬仿真液壓支架的運動學特性，需要完成邊界條件的定義。根據(jù)工況，文中定義頂梁驅動電機的垂向速度為6mm/s，并設定支架從3000mm處開始運行。根據(jù)支護分析結果，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構進行分散處理。在ADAMS中，設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系，從而可以計算出液壓支架在不同高度下所對應的動力學特性，研究液壓支架的承載能力與支架高度變化之間的關系。在完成系統(tǒng)的設定之后，即可以進行動力學仿真分析，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。為了適應液壓支架的支護方向，需要進一步對液壓支架的四連桿結構進行優(yōu)化分析和設計。

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的優(yōu)化方法主要基于ADAMS。在ADAMS中，采用優(yōu)化變量是應用最多的參數(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，同時還可以關聯(lián)仿真對象進行結果分析[6]。在ADAMS/View中，為設計變量的選擇提供了一種可靠的設計方法，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，可以將設計變量在一定的變化范圍內(nèi)連續(xù)取值，進行相應的分析，從而完成參變量的優(yōu)化。ADAMS主要提供了設計研究、試驗設計和優(yōu)化分析等三種參變量的研究方法。

通常，對于需要進行優(yōu)化的變量在整個分析研究中是與其它變量相互關聯(lián)的，不同的變量之間存在著不同的函數(shù)關系。在優(yōu)化結果的計算中，必須使優(yōu)化變量保持對目標函數(shù)的一致性，為此必須轉換參數(shù)變量，若不進行參數(shù)變量的轉換，得出的優(yōu)化結果不僅使用戶無法明確的選擇參變量，甚至得到的優(yōu)化結果也不理想，無法有效地分析液壓支架的結構性能。本文將液壓支架的四桿機構作為優(yōu)化結構，優(yōu)化目標多個，因此計算結果也會出現(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系，基于此種結果，必須通過某種方法使計算結果的數(shù)值唯一。現(xiàn)今，在對模型進行優(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)化結果有用的數(shù)值，將這些數(shù)值構成求解子集，然后通過篩選校正這些子集得到最優(yōu)解；（2）交互法。交互法的應用對研究人員自身具備的經(jīng)驗和學術水平要求較高，是研究人員直接對得到的多個解進行有效地判斷和分析，從而得到最優(yōu)解；（3）轉化法。把多個優(yōu)化目標變?yōu)橐粋€優(yōu)化目標進行優(yōu)化是轉換法的基本原理。在優(yōu)化計算最終解的過程中，通常都是運用特定的優(yōu)化算法去計算結果，實現(xiàn)對目標函數(shù)值的優(yōu)化，比如，多目標進化算法、多目標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構，建立力學分析模型（結構參數(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，即ω最小。

把優(yōu)化后的參數(shù)在ADAMS中進行仿真計算，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到了結果的準確又保證了計算的快速性。針對優(yōu)化目標，文中對四連桿中的l1、l2、l3、l4和 l5進行優(yōu)化。

2.3 結果分析

在ADAMS/View中，設計變量既可以用于存儲數(shù)據(jù)又可以作為參數(shù)設計過程中的變量[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行的，本文中，設置設計變量分別為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導入到了ADAMS當中，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構尺寸進行了優(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。

【參考文獻】

[1]王國法.液壓支架技術體系研究與實踐[J].煤炭學報，2010，35（11）：1903-1908.

[2]趙宏珠，宋秋爽.特大采高液壓支架發(fā)展與研究[J].采礦與安全工程學報， 2007，24（3）：265-269.

[3]王國法.工作面支護與液壓支架技術理論體系[J].煤炭學報，2014，39（8）：1593-1601.

[4]王立新，李震，王鎖吉.基于ADAMS的液壓支架運動學分析[J].煤礦機械， 2008，29（12）：82-84.

[5]蔡余龍，秦東晨，武紅霞，等.基于Pro/E和ADAMS的液壓支架虛擬樣機建模與仿真研究[J].煤礦機械，2009，30（11）：36-38.

[6]章強，涂少伍，朱維柱，等.基于ADAMS的兩柱放頂煤液壓支架運動仿真分析[J].煤炭技術，2015（11）：301-302.

[7]蔡文書.基于SolidWorks和ADAMS的液壓支架動力學仿真[J].中州煤炭， 2016（4）：99-102.

[責任編輯：朱麗娜]endprint