懸移式液壓支架設(shè)計(jì)【6張CAD圖紙和說(shuō)明書全套】

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0828170013英文原文中文譯文液壓支架的最優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要本文介紹了從兩組不同參數(shù)的采礦工程所使用的液壓支架（如圖1）中選優(yōu)的流程。這種流程建立在一定的數(shù)學(xué)模型之上。第一步，尋找四連桿機(jī)構(gòu)的最理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)以便確保支架的理想的運(yùn)動(dòng)軌跡有最小的橫向位移。第二步，計(jì)算出四連桿有最理想的參數(shù)時(shí)的最大誤差，以便得出最理想的、最滿意的液壓支架。圖1液壓支架關(guān)鍵詞：四連桿機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；精確設(shè)計(jì)；模糊設(shè)計(jì)；誤差1.前言：設(shè)計(jì)者的目的時(shí)尋找機(jī)械系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。導(dǎo)致的結(jié)果是一個(gè)系統(tǒng)所選擇的參數(shù)是最優(yōu)的。一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)伴隨著一個(gè)合適的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的出現(xiàn)而出現(xiàn)。當(dāng)然這數(shù)學(xué)函數(shù)建立在這種類型的系統(tǒng)上。有了這種數(shù)學(xué)函數(shù)模型，加上一臺(tái)好的計(jì)算機(jī)的支持，一定能找出系統(tǒng)最優(yōu)的參數(shù)。Harl描述的液壓支架是斯洛文尼亞的Velenje礦場(chǎng)的采煤設(shè)備的一個(gè)組成部分，它用來(lái)支護(hù)采煤工作面的巷道。它由兩組四連桿機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示.四連桿機(jī)構(gòu)AEDB控制絞結(jié)點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡，四連桿機(jī)構(gòu)FEDG通過液壓泵來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓支架。圖2中，支架的運(yùn)動(dòng)，確切的說(shuō)，支架上絞結(jié)點(diǎn)C點(diǎn)豎向的雙紐線的運(yùn)動(dòng)軌跡要求橫向位移最小。如果不是這種情況，液壓支架將不能很好的工作，因?yàn)橹Ъ芄ぷ髟谶\(yùn)動(dòng)的地層上。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了一液壓支架的原型。支架表現(xiàn)出大的雙紐線位移，這種雙紐線位移的方式回見少支架的承受能力。因此，重新設(shè)計(jì)很有必要。如果允許的話，這會(huì)減少支架的承受能力。因此，重新設(shè)計(jì)很有必要。如果允許的話，這種設(shè)計(jì)還可以在最少的成本上下文章。它能決定去怎樣尋找最主要的圖2兩四連桿機(jī)構(gòu)四連桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型AEDB的最有問題的參數(shù)。否則的話這將有必要在最小的機(jī)構(gòu)AEDB改變這種設(shè)計(jì)方案。上面所羅列出的所有問題的解決方案將告訴我們關(guān)于最理想的液壓支架的答案。真正的答案將是不同的，因?yàn)橄到y(tǒng)有各種不同的參數(shù)的誤差，那就是為什么在數(shù)學(xué)模型的幫助下，參數(shù)允許的最大的誤差將被計(jì)算出來(lái)。2.液壓支架的確定性模型首先，有必要進(jìn)一步研究適當(dāng)?shù)囊簤褐Ъ艿臋C(jī)械模型。它有可能建立在下面所列假設(shè)之上：（1）連接體是剛性的，（2）單個(gè)獨(dú)立的連接體的運(yùn)動(dòng)是相對(duì)緩慢的.液壓支架是只有一個(gè)方向自由度的機(jī)械裝置。它的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律可以通過同步的兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)FEDG和AEDB的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬。最主要的四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)液壓支架的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有決定性的影響。機(jī)構(gòu)2只是被用來(lái)通過液壓泵來(lái)驅(qū)動(dòng)液壓支架。絞結(jié)點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡L可以很好地來(lái)描述液壓支架的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，設(shè)計(jì)任務(wù)就是通過使點(diǎn)C的軌跡盡可能地接近軌跡K來(lái)找到機(jī)構(gòu)1的最理想的連接長(zhǎng)度值。四連桿機(jī)構(gòu)1的綜合可以通過Rao和Dukkipati給出運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式的幫助來(lái)完成。圖3點(diǎn)C軌跡L圖3描述了一般的情況。點(diǎn)C的軌跡L的方程式將在同一框架下被打印出來(lái)。點(diǎn)C的相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)x和y隨著四連桿機(jī)構(gòu)的獨(dú)有的參數(shù)一起被打印出來(lái)。點(diǎn)B和D的坐標(biāo)分別是xB=x-cos(1)yB=y-sin(2)xD=x-cos()(3)yD=y-sin()(4)參數(shù)也彼此相關(guān)xB2+yB2=(5)(xD-1)2+yD2=(6)把(1)(4)代入（5）（6）即可獲得支架的最終方程式(x-cos)2+(y-sin)2-=0(7)x-cos()-2+y-sin()2-=0(8)此方程式描述了計(jì)算參數(shù)的理想值的最基本的數(shù)學(xué)模型。2.1數(shù)學(xué)模型Haug和Arora提議，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以用下面形式的公式表示minf(u,v),(9)約束于gi(u,v)0,i=1,2,l,(10)和響應(yīng)函數(shù)hi(u,v)=0,j=1,2,m.(11)向量u=u1,u2,unT響應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)的變量,v=v1,v2,vmT是可變響應(yīng)向量，(9)式中的f是目標(biāo)函數(shù)。為了使設(shè)計(jì)的主導(dǎo)四連桿機(jī)構(gòu)AEDB達(dá)到最佳，設(shè)計(jì)時(shí)的變量可被定義為u=T,(12)可變響應(yīng)向量可被定義為v=xyT.(13)相應(yīng)復(fù)數(shù)3，5，6的尺寸是確定的。目標(biāo)函數(shù)被定義為理想軌跡K和實(shí)際軌跡L之間的一些“有差異的尺寸”f(u,v)=maxg0(y)-f0(y)2,(14)式中x=g0(y)是曲線K的函數(shù)，x=f0(y)是曲線L的函數(shù)。我們將為系統(tǒng)挑選一定局限性。這種系統(tǒng)必須滿足眾所周知的最一般的情況。(15)(16)不等式表達(dá)了四連桿機(jī)構(gòu)這樣的特性：復(fù)數(shù)只可能只振蕩的。這種情況：(17)給出了設(shè)計(jì)變量的上下約束條件。用基于梯度的最優(yōu)化式方法不能直接的解決(9)(11)的問題。minun+1(18)從屬于gi(u,v)0,i=1,2,l,(19)f(u,v)-un+10,(20)并響應(yīng)函數(shù)hj(u,v)=0,j=1,2,m,(21)式中：u=u1unun+1Tv=v1vnvn+1T因此，主導(dǎo)四連桿機(jī)構(gòu)AEDB的一個(gè)非線性設(shè)計(jì)問題可以被描述為：min7,(22)從屬于約束(23)(24),(25)(26)并響應(yīng)函數(shù)：(27)(28)有了上面的公式，使得點(diǎn)C的橫向位移和軌跡K之間的有最微小的差別變得可能。結(jié)果是參數(shù)有最理想的值。3.液壓支架的隨機(jī)模型數(shù)學(xué)模型可以用來(lái)計(jì)算比如參數(shù)確保軌跡L和K之間的距離保持最小。然而端點(diǎn)C的計(jì)算軌跡L可能有些偏離，因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)中存在一些干擾因數(shù)。看這些偏離到底合時(shí)與否關(guān)鍵在于這個(gè)偏差是否在參數(shù)容許的公差范圍內(nèi)。響應(yīng)函數(shù)（27）（28）允許我們考慮響應(yīng)變量v的矢量，這個(gè)矢量依賴設(shè)計(jì)變量v的矢量。這就意味著vh(v)，函數(shù)h是數(shù)學(xué)模型（22）（28）的基礎(chǔ)，因?yàn)樗枋龀隽隧憫?yīng)變量v的矢量和設(shè)計(jì)變量v的矢量以及和數(shù)學(xué)模型中v的關(guān)系。同樣，函數(shù)h用來(lái)考慮參數(shù)的誤差值的最大允許值。在隨機(jī)模型中，設(shè)計(jì)變量的矢量u=u1,unT可以被看作U=U1,UnT的隨機(jī)矢量，也就是意味著響應(yīng)變量的矢量v=v1,vnT也是一個(gè)隨機(jī)矢量V=V1,V2,VnTv=h(u)(29)假設(shè)設(shè)計(jì)變量U1,Un從概率論的觀點(diǎn)以及正常的分類函數(shù)Uk(k=1,2,n)中獨(dú)立出來(lái)。主要參數(shù)和(k=1,2,n)可以與如測(cè)量這類科學(xué)概念和公差聯(lián)系起來(lái)，比如=,。所以只要選擇合適的存在概率，k=1,2,n(30)式（30）就計(jì)算出結(jié)果。隨機(jī)矢量V的概率分布函數(shù)被探求依賴隨機(jī)矢量U概率分布函數(shù)及它實(shí)際不可計(jì)算性。因此，隨意矢量V被描述借助于數(shù)學(xué)特性，而這個(gè)特性被確定是利用Taylor的有關(guān)點(diǎn)u=u1,unT的函數(shù)h逼近描述，或者借助被Oblak和Harl在論文提出的MonteCarlo的方法。3.1數(shù)學(xué)模型用來(lái)計(jì)算液壓支架最優(yōu)化的容許誤差的數(shù)學(xué)模型將會(huì)以非線性問題的獨(dú)立的變量w=(31)和目標(biāo)函數(shù)(32)的型式描述出來(lái)。約束條件(33),(34)在式（33）中，E是是坐標(biāo)C點(diǎn)的x值的最大允許偏差，其中A=1,2,4(35)非線性工程問題的計(jì)算公差定義式如下：(36)它服從以下條件：(37),(38)(39)4.有數(shù)字的實(shí)列液壓支架的工作阻力為1600kN。以及四連桿機(jī)構(gòu)AEDB及FEDG必須符合以下要求：它們必須確保鉸接點(diǎn)C的橫向位移控制在最小的范圍內(nèi)，它們必須提供充分的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性圖2中的液壓支架的有關(guān)參數(shù)列在表1中。支撐四桿機(jī)構(gòu)FEDG可以由矢量(mm)(40)來(lái)確定。四連桿AEDB可以通過下面矢量關(guān)系來(lái)確定。(mm)在方程(39)中，參數(shù)d是液壓支架的移動(dòng)步距，為925mm.四連桿AEDA的桿系的有關(guān)參數(shù)列于表2中。表1液壓支架的參數(shù)表2四連桿AEDA的參數(shù)4.1四連桿AEDA的優(yōu)化四連桿的數(shù)學(xué)模型AEDA的相關(guān)數(shù)據(jù)在方程(22)-(28)中都有表述。(圖3)鉸接點(diǎn)C雙紐線的橫向最大偏距為65mm。那就是為什么式(26)為(41)桿AA與桿AE之間的角度范圍在76.8o和94.8o之間，將數(shù)依次導(dǎo)入公式(41)中所得結(jié)果列于表3中。這些點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的角都在角度范圍76.8o,94.8o內(nèi)而且它們每個(gè)角度之差為1o設(shè)計(jì)變量的最小和最大范圍是(mm)(42)(mm)(43)非線性設(shè)計(jì)問題以方程(22)與(28)的形式表述出來(lái)。這個(gè)問題通過Kegletal(1991)提出的基于近似值逼近的優(yōu)化方法來(lái)解決。通過用直接的區(qū)分方法來(lái)計(jì)算出設(shè)計(jì)派生數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)變量的初始值為(mm)(44)優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)經(jīng)過25次反復(fù)計(jì)算后是表3絞結(jié)點(diǎn)C對(duì)應(yīng)的x與y的值角度x初值(mm)y初值(mm)x終值(mm)y終值(mm)76.866.781784.8769.471787.5077.865.911817.6768.741820.4078.864.951850.0967.931852.9279.863.921882.1567.041885.0780.862.841913.8566.121916.8781.861.751945.2065.201948.3282.860.671976.2264.291979.4483.859.652006.9163.462010.4384.858.722037.2862.722040.7085.857.922067.3562.132070.8786.857.302097.1161.732100.7487.856.912126.5961.572130.3288.856.812155.8061.722159.6389.857.062184.7462.242188.6790.857.732213.4263.212217.4691.858.912241.8764.712246.0192.860.712270.0866.852274.3393.863.212298.0969.732302.4494.866.562325.8970.502330.36(mm)(45)在表3中C點(diǎn)x值與y值分別對(duì)應(yīng)開始設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。圖4用圖表示了端點(diǎn)C開始的雙紐線軌跡L(虛線)和垂直的理想軌跡K(實(shí)線)。圖4絞結(jié)點(diǎn)C的軌跡4.2四連桿機(jī)構(gòu)AEDA的最優(yōu)誤差在非線性問題(36)-(38),選擇的獨(dú)立變量的最小值和最大值為(mm)(46)(mm)(47)獨(dú)立變量的初始值為(mm)(48)軌跡偏離選擇了兩種情況E=0.01和E=0.05。在第一種情況，設(shè)計(jì)變量的理想公差經(jīng)過9次反復(fù)的計(jì)算，已初結(jié)果。第二種情況也在7次的反復(fù)計(jì)算后得到了理想值。這些結(jié)果列在表4和表5中。圖5和圖6的標(biāo)準(zhǔn)偏差已經(jīng)由MonteCarlo方法計(jì)算出來(lái)并表示在圖中(圖中雙點(diǎn)劃線示)同時(shí)比較泰勒近似法的曲線(實(shí)線)。圖5E=0.01時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)誤差圖6E=0.05時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)誤差5.結(jié)論通過選用系統(tǒng)的合適的數(shù)學(xué)模型以及采用數(shù)學(xué)函數(shù)，讓液壓支架的設(shè)計(jì)得到改良，而且產(chǎn)品的性能更加可靠。然而，由于理想誤差的結(jié)果的出現(xiàn)，將有理由再考慮一個(gè)新的問題。這個(gè)問題在四連桿的問題上表現(xiàn)的尤為突出，因?yàn)橐粋€(gè)公差變化稍微都能導(dǎo)致產(chǎn)品成本的升高。參考文獻(xiàn)GRM：四連桿機(jī)構(gòu)的最優(yōu)合成機(jī)械工程學(xué)院的馬里博爾1992harl：液壓支架的隨機(jī)分析1998年謝長(zhǎng)廷：設(shè)計(jì)靈敏度分析和優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)，1984年研究研究，kegl;.：機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化、非線性一階近似的策略1991年oblak：結(jié)構(gòu)第二部分的數(shù)值分析機(jī)械工程學(xué)院的馬里博1982年oblak：液壓支架的最佳合成1998年Dukkipati：機(jī)制和機(jī)理論新德里：威利父子1989年18