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掩护式液压支架四连杆机构的优化设计

液压支架是综合机械化采煤的关键设备，对于提高采煤效率，降低成本，改
善作业环境，减少笨重的体力劳动具有举足轻重的作用。液压支架四连杆作为液
压支架的重要部件，其参数选择对支架性能有决定性影响。而参数采用优化计算
方法来设计液压支架连杆机构参数，选择最优化结果，以便克服设计人员根据经
验设计带来的缺陷和不足。本文以一种经济型掩护式液压支架四连杆设计为例，
详细叙述了液压支架四连杆机构的优化设计方法。

标签：液压支架四连杆机构优化设计

1四连杆机构的作用

支架升降时顶梁的运动轨迹是由四连杆机构决定的，即由顶梁与掩护梁交点
E的轨迹所决定。根据机构运动学分析，E点的运动轨迹一般为一条S型的双纽
线。

2四连杆机构定位尺寸和极限参数的确定

在设计四连杆机构时，要根据四连杆机构的几何特性来确定。其四连杆机构
的几何特性如下：

2.1支架从最高高度降到最低高度时，顶梁端点运动轨迹的最大宽度e最好
小于30mm以下。

2.2掩护梁上铰点到顶梁顶面之距离H和后连杆下铰点至底座底面之距Y0。
对于经济型液压支架此处取H2=100mm，Y0一般根据支架最小高度确定，薄煤
层支架取Y0＝150～250mm.

2.3支架最大和最小高度时掩护梁与水平夹角Amax和Amin。一般掩护式
支架取Amax≤52°~62°。

2.4掩护梁与后连杆长度比的确定：对两柱掩护式支架一般为0.9～1.2，对
四柱支撑掩护式支架一般为1.2～1.8。掩护梁与前后连杆铰点间的距离可根据支
架高度及连杆销子直径确定，一般取300～500mm，前后连杆间夹角越大，连杆
力越小。

2.5分析可知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连机构时曲线运动
轨迹应尽量使支架的工作段要取曲线向前突的一段，所以当掩护梁和后连杆长度
已知后，在设计时只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，进行作图就可以
了。

3四杆机构优选设计法

目标函数的确定：支架在某一同高度时的θ角，恰好是顶梁前端点的双纽线
轨迹上的切线与顶梁垂线间的夹角。根据附加力对液压支架受力影响的分析，为
减少附加力，必须使tgθ有较小值。所以，只要令支架由高到低变化时，顶梁前
端点运动轨迹近似成直线为目标函数，这两项要求都能满足。

四杆机构的几何特征如下图1所示

3.1支架在最高位置时：p1=52°-62°，即0.91-1.08弧度；Q1=75°-85°，即：
1.31-1.48弧度。

3.2后连杆与掩护梁的比值，掩护式支架为I=0.45-0.61；支撑掩护式支架为
I=0.61-0.82。

3.3前、后连杆上铰点之距与掩护梁的比值为I1=0.22-0.3。

3.4e’点的运动轨迹呈近似双曲线，支架由高到低双纽线运动轨迹的最大宽
度e<70mm最好在30mm以下。

3.5支架在最高位置时的tgθ值应小于0.35，在优化设计中，对掩护式支架
最好小于0.16，对于支撑掩护式支架最好小于0.2。

四杆机构各部尺寸的计算

四杆机构各部参数如图2所示，图中的H1为支架在最高位置时的计算高度。
令o2a＝A；ab=B；bc=C；cd=D；o2d=E；ae′=G；e′b=F；JQ1=S；je′=L；=I=I；
tgθ==U.

3.5.1后连杆与掩护梁长度的确定

当支架在最高位置时的H1值确定后，掩护梁长度G为：G=

后连杆长度A=IG前后连杆上铰点之距为：B=I1G

前连杆上铰点至掩护梁上铰点之距为:F=G-B

从以上各式，可求出多组后连杆和掩护梁的尺寸。为了简化计算，对各变量
规定相应的步长如下：P1的步长为0.34弧度；Q1的步让为0.34弧度，I1的步
长为0.02；I的步长；掩护式支架为0.032；支撑掩护式支架为0.042。

上述四个变量各向前迈出五步，经排列组合使得到625组A、B、F、G的
参数值。

3.5.2后连杆下饺点至坐标原点之距为E1，如上图所示。E1=FcosP1-AcosQ1

3.5.3前连杆长度及角度的确定

当支架高度变化时，掩护梁上铰点e’的运动轨迹为近似双纽线，为使双纽
线最大宽度和θ角尽量小，可把e’点的运动轨迹视为理想直线，当然实际并非
如此。但是，我们可以做到当支架高度变化时，有三点在这条直线上．根据设计
经验，当e’点沿理想垂线由最高向最低运动时，后连汗与掩护梁的夹角由大于
90度到小于90度变化，在夹角变化过程中，一定有一位置使后连杆与掩护粱处
于垂直状态，以这一特殊状态为所求的中间某一位置，来确定直线上中间某一位
置的点。

①b1点的坐标。当支架在最高位置是的计算高度为H1，此时b1点的坐标
为：

x1=Fcos(P1)y1=H1-Fsin(P1)

②b2点的坐标。支架在最低位置