液压支架模块化设计策略

0 引言

    在传统的模块化设计理论、方法的基础上，利用客户需求分析和产品功能结构分析．提出了一种液压支架模块设计策略。液压支架是机械化采煤时实现支撑、切顶等功能的支护设备，是机械化采煤的关键设备。对液压支架进行模块化设计易于产品的变型设计，缩短设计周期，并满足批量生产需求。

    液压支架模块化设计主要分为以下步骤：

    (1)液压支架的功能结构分解，建立功能模型，并实现功能一结构的映射；

    (2)分析得到的各结构的子功能，考虑接口约束、物理约束、用户需求等因素，进行功能模块划分；

    (3)对模块进行组合，即可得到液压支架，对其进行评价。

1 液压支架模块划分

    QFD（质量功能展开）是一种将客户或市场需求转化为产品设计目标特征的分析方法。利用QFD对用户视角参数进行分析，转化为定性的设计者视角的技术参数，明确产品的功能需求。

    任何产品都存在着物料、能量与信号的交换，为了明确产品如何运作，将上述确定的所有产品功能串接起来，根据物料、能量和信号的流向建立产品黑箱模型。产品黑箱模型仅能表示产品的功能部分，并不能体现出功能一结构之间的对应关系，而产品的功能一结构映射能够表示出上述要求。因此将黑箱模型和功能一结构映射结合在一起，实现液压支架的功能分解。该方法中，粗实线代表物料流，细实线代表能量流，虚线代表信息流，方框表示结构，结构下方的图框表示功能。液压支架各功能结构用物料流、能量流和信息流连接起来，从而得到液压支架的功能一结构模型，如图1所示。

图1 液压支架功能结构模型

2 基于液压支架功能一结构的功能模块划分

    利用模糊分级以及AHP（层次分析法）对各个功能一结构单元间的结构和接口设定相应的相关值r（Ui，Uj）。根据AHP法设定如2个单元间存在物质联系，其相关值为0.464，如存在能量联系，其相关值为0.382，如存在信息联系，其相关值为0.154。如果同时存在2种或2种以上联系，则相关值累加。如两单元若同时存在物质、能量的联系，则其相关值r（Ui，Uj）=0.464+0.382=0.846。结构间的相关值按模糊分级，如表1所示。

表1 结构相关值

    同时考虑结构与接口之间的相关值，得出单元间的总相关值，总相关值算法如下：

    式中  U——功能一结构单元；

    s——结构；

    i——接口；

    w——权重，取采用模糊分级法，根据实际情况对Ws、Wi进行取值；

    r（Ui，Uj）——总相关值。

    根据液压支架的功能一结构模型选出其主要功能结构单元，对功能结构单元间的结构和接口相关值进行计算。液压支架功能结构单元如下：底座U1、推移千斤顶U2、推移机构U3、后连杆U4、前连杆U5、后连杆侧护板U6、掩护梁侧护板U7、掩护梁U8、平衡千斤顶U9、立柱U10、顶梁U11、顶梁侧护板U12、伸缩梁U13。如取结构权重ws=0.8，接口权重wi=0.2，可得r(Ui，Uj) =wsr^s(U1，U2)+Wirⁱ(U1，U2)=0.8×0.6+0.2×0.846=0.649，其中取rs(U1，U2)=0.6表示底座与推移千斤顶之间属于适中过度配合，取ri(U1，U2)=0.846表示底座与推移千斤顶之间存在物质和能量的关系。根据所得的各结构单元间的总相关值建立液压支架功能-结构相关矩阵为

    确定模块划分粒度，划分不同粒度的模块。给出模块划分粒度度量值λ，找出矩阵中所有大于λ的相关值，合并其包含的功能结构单元，即得到相应的功能结构模块。如若取λ=0.6，则提取所有相关值在0.6以上的功能结构单元划分为一个模块。模块划分如下：模块1(U1，U2，U3)、模块2(U4，U5，U6，U7，U8)、模块3(U9，U11，U12，U13)、模块4(U10)，即完成了液压支架的模块划分，将上述模块装配到一起，即构成液压支架。