硕士学位论文-液压支架静力学与运动学分析以及优化设计.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 液压支架静力学与运动学分析以及优化设计 姓名：彭霖 申请学位级别：硕士 专业：工程力学 指导教师：蒙培生 20090831 i 摘摘 要要 液压支架是煤矿综采设备的重要组成部分，其作用是与采煤机配和，实现采煤 得综合机械化。我国厚煤层储量丰富，厚煤层的开采主要技术是大采高、大工作阻 力、高可靠性液压支架，以双柱掩护式液压支架为主。双柱掩护式液压支架结构简 单可靠，稳定性良好。 本文首先根据液压支架的各种参数用solidworks设计zy9400/28/62型液压支架 的部件结构并建立其几何装配模型，对整机进行干涉检查从而避免模型各零件之间 的“碰撞” ，并利用“motion”插件对整机进行运动仿真模拟来验证其设计和装配的 合理性。 随后，本文将 zy9400/28/62 型液压支架简化成平面杆系模型，在 ansys 中分 别对支架工作的高位、中位、低位三个位置的平面杆系结构进行有限元分析，得出 支架稳定性好且处于低位时相对危险，以减小整架重量为目的对支架工作高位时的 结构进行优化设计，结果减小了重量 4.1%。 最后，在 ansys 建立掩护梁有限元模型，划分三次网格得到最优网格进行分析 计算，为了消除掩护梁最大局部应力加大销轴处板厚，计算结果显示效果不明显； 为了增强掩护梁刚性而加大加强肋板厚，计算结果表明效果不明显；给模型添加倒 角计算得出掩护梁的倒角设计有利于结构的受力。 关键词：关键词：液压支架，运动仿真，优化设计，掩护梁 ii abstract hydraulic powered support, which plays an important role in coal mining equipment, works with coal excavator to achieve a consolidated coal mining mechanization. chinas coal reserves are rich in thick coal seam, primarily exploited with hydraulic supports of large mining height, great resistance and high reliability, mainly with two- pillar shield hydraulic powered support. two- pillar shield hydraulic powered support is of simple and reliable structure, and of good stability. first, according to the various structure parameters of hydraulic powered support, “solidworks” has been used to design the structure of components of hydraulic powered support zy9400/28/62, establish the geometric assembly model, and interference checking of the whole equipment is done to avoid collision between various components of the model. the motion add- in is used to simulate the motion of the whole equipment to verify the rationality of design and assembling. secondly, the hydraulic powered support zy9400/28/62 is simplified to the plane linkage model, three different support operation position: high, medium, low position is analyzed by ansys. the simulation results show that the stability of the support is good, the dangerousness is greatest when support operation position is in low position. when support operation position is in low position, the design of structure is optimized, and the weight is decrease 4.1%. finally, shield- beam finite element model is created in ansys, the optimization mesh is obtained by only there times meshing. the thickness of the hinge pin is increased to eliminate the the maximum local stress in shield- beam,the numerical results show little effect. the enlargement of the thickness of rib plate can not make the stiffness of shield- beam increase evidently. when the model is chamfered, the computed results show that chamfering design of shield- beam make for the force of structure. keywords：hydraulic powered support,motion simulation,optimization design,shield beam 1 1 绪绪 论论 1.1 选题背景选题背景 液压支架是煤矿综采设备的重要组成部分，包括支撑式支架、掩护式支架、支 撑掩护式支架三种。它能够可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区， 防止矸石进入回采工作面和推进输送机。液压支架的作用是与采煤机配和，实现采 煤得综合机械化，解决顶板管理落后于采煤工作的矛盾，加快采煤和运输的效率， 减轻煤矿工人的劳动强度，最大限度保障煤矿工人的生命安全1。 我国 4- 8m 厚煤层储量丰富，大约占煤炭总量的 45%。由于开采难度较大，长期 以来，厚煤层一次采全高没有超过 5 米，造成了厚煤层煤炭资源的极大浪费。在厚 煤层的开采中，主要的技术就是大采高、大工作阻力、高可靠性液压支架，而大采 高、大工作阻力、高可靠性液压支架以双柱掩护式液压支架为主2。 以前我国液压支架基本上靠进口，近年来国家在这方面加大投入，研制工作进 展的很快，已经做到了自行设计和制造，而且品种多、功能全、可靠性高。在这样 的发展形势下，郑州煤矿机械集团有限责任公司投入资金，对 zy9400/28/62 型双柱 掩护式液压支架进行优化设计，并对液压支架三维建模软件进行二次开发。主要研 究工作包括：液压支架的静力学分析、运动学分析、动力学分析、优化设计、稳定 分析、耐久性分析、cad 与有限元软件的数据接口。整个项目进程为首先对液压支 架构件组成进行几何解释，然后做有限元软件与三维建模软件数据接口，对构件进 行有限元网格划分，最后组装构件，考虑接触与摩擦进行整体受力分析。 本文主要针对液压支架的静力学、运动学和优化设计三部分进行研究，为了验 证结构 zy9400/28/62 型双柱掩护式液压支架在运动过程中的稳定性和结构稳定性， 并对支架掩护梁提出优化设计方案。 2 1.2 液压支架的发展历程液压支架的发展历程 国外液压支架经历了几个阶段的发展，其发展初期主要以木支架、金属摩擦支 架为主。二十世纪五十年代开始英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架，开辟 了采煤工作面支护设备的技术革命；六十年代之后前苏联研发并改进了一种具有四 连杆机构的掩护式支架，最大程度的解决了液压支架梁端距变化大的问题，开创了 支架设计的新时代；七十年代液压支架的主要突破就是采用了“立即支护”的方式。 二十世纪八十年代以来，世界各地主要的采煤国家开始致力于研制生产高性能、 高可靠性的液压支架。美国、澳大利亚、德国、英国、日本的工作面都逐步开始采 用可编程电液控制技术，该技术使得支架的各种动作功能可以实现程序控制和性能 监测，自动化程度大幅提高从而大大的提高生产率、降低了生产成本。其中双柱掩 护式液压支架的应用最广泛，比如美国百分之九十以上的长壁综采工作面采用的双 柱掩护式液压支架。 我国的液压支架发展历程亦经历几个阶段。1958 年开始了掩护式支架的设计工 作，1964 年全面开展研究支架的架型和阀的类型。二十世纪七十年代我国开始支架 研制工作，前后研制出了垛式支架、节式支架、掩护式支架。七十年代初到中期， 山西大同开始运用了全工作面的 tz140 型垛式支架，且研制了 zy35 型支撑掩护 支架、qy 型掩护支架。 二十世纪七十年代末八十年代初我国分三次大规模引进了国外支架，其中主要 就包括双柱掩护式支架和四柱掩护式支架，从而在技术层面上有了大大的提高。我 国科研人员通过吸收国外先进技术， 自主研发了包括 qy 系列和 yz 系列支架在内的 多种支架。二十世纪八十年代以来，开发了应用于坚硬顶板的大吨位支架、分层开 采自动铺联网支架、放顶煤液压支架，大流量安全阀和操纵阀等。 二十世纪九十年代中期开始我国进入液压支架的快速发展阶段，全国的综采工 作面数量大幅度提高，液压支架的性能、参数、可靠性也都有了明显的提高。同时 支架类型丰富起来，大采高支架、薄煤层支架、大倾角液压支架、铺网液压支架和 端头支架等的出现和运用大大方便了我国采煤工作的进行3。 3 本文主要对双柱掩护式液压支架进行设计研究，其架型相对简单，易于实现电 液控制，广泛应用于大采高工作面4。下面主要介绍国内大采高液压支架的发展。 我国大采高支架的研制开始于二十世纪八十年代，发展于九十年代后期。早期 国内设计开发的支撑掩护式支架都存在着生产能力及可靠性低的问题，九十年代初 开始大规模引进国外技术提高了设备的可靠性，但是投入成本过大、生产周期长。 因此国内自主研发开始蓬勃发展，2001 年开始，国内首先在薄煤层液压支架上采用 电液控制技术，代表产品有郑煤机为晋城煤业集团研制的 zy4400/9/21 型薄煤层刨 煤机工作面电液控制液压支架。2002 年起，郑州煤矿机械集团公司等企业在引进先 进技术的基础上， 研制了国产首套 5.15m 大采高液压支架， 最高日产 25000 台。 2003 年，晋城煤业集团设计开发了 zy8640 /2515/55 型掩护式支架，该支架吸收了国际先 进技术同时结合了我国国情，创造了当时同类支架采高和工作阻力两个国内第一， 标志着国内具备设计并制造有国际水平的大采高液压支架的能力。2005 年起，郑州 煤矿机械集团公司研发厚煤层一次采全高超高(6.10m 以上)液压支架，解决了大采高 液压支架稳定性、防片帮等关键技术，为晋城煤业集团研制了世界上首套高度超过 6.10m 的液压支架。 2007 年该公司再创纪录研制了当时世界上最高的 zy10800/28/63 液压支架，支护高度 6.13m。2007 年，支护高度达到 6.15m 的液压支架样机已经产 出5- 6。日前郑煤机集团又开发出了一种新型大采高支架，为世界上迄今为止唯一支 护高度达到 7m 的液压支架，其工作阻力为 16800kn 以上，支护强度达 1.40mpa 以 上。可见我国液压支架的技术水平已经走在了世界前列。 1.3 双柱掩护式液压支架特点双柱掩护式液压支架特点 双柱掩护式液压支架运用越来越广泛，一些传统上主要采用四柱式支架的国家 也已全部改用双柱掩护式液压支架，我国一些新建大型现代化高产高效矿井也全部 采用两柱掩护式液压支架。 在传统思想里，四柱支撑掩护式液压支架切顶力强，操作简单，适用于坚硬稳 定的顶板，而双柱掩护式液压支架工作阻力小、支护能力小、平衡千斤顶局限大而 4 不适用坚硬的顶板7。但是随着技术、性能的提高，双柱掩护式液压支架优点逐渐显 现出来，与四柱相比较，双柱的优点主要体现在： 1. 与四柱相比，双柱掩护式液压支架顶梁相对较短、支护面积比较小，在同样 的工作阻力下，双柱的支护强度更高，支护能力更强。同时在少了一排立柱 的情况下，顶梁长度减少 0.4- 0.6m，从而减小了顶梁的控制顶板的距离，使 得支架对顶板反复支撑的破坏次数变少，更有效的保护了顶板。 2. 双柱掩护式液压支架一般是采用整体顶梁，结构简单可靠，顶梁前端支撑力 大，有利于保持梁端顶板的完整性。整体顶梁的支架在大多数情况下都能有 效支撑顶板，而且其具有结构简单、制造方便、操作容易、便于支架的快速 移动等很多优点，普遍应用于世界各国的高产高效工作面。 3. 双柱受力相对更均衡， 与围岩的相互作用关系更合理， 能充分发挥支护能力。 顶板作用力位置的变化之下， 四柱支撑掩护式支架前后两排立柱的受载一般 不均匀的，前柱受力往往大于后柱，使得其支撑力的整体利用率不高。而两 柱掩护式液压支架不存在这样的问题， 只要保证立柱前后都有支点与顶板接 顶，支架工作阻力就可以充分发挥，也比较容易实现自我平衡。 4. 双柱掩护式液压支架有双人行通道，由于少了一排立柱而通道宽敞。双柱掩 护式液压支架的立柱呈倾斜布置，其调高范围比四柱式支架大，所以通过断 层等构造更容易，支架运输高度较低。 5. 双柱掩护式液压支架的立柱、千斤顶及相应的液压阀门、管路都比四柱式少 很多，液压操作系统就变得很简单，有利于支架的快速动作，电液控制系统 更易工作。采用电液控制系统可以方便地实现双向邻架或成组程序控制，操 作方便安全，确保支架的各种性能，可实现支架工况的监测，提高了设备的 可靠性，移架速度大大提高，为工作面实现高产高效创造了有利条件。 6. 由于平衡千斤顶具有调节支架顶梁合力作用点的功能，能适应顶板的变化。 双柱掩护式液压支架通过参数优化，克服了原先平衡千斤顶的局限性，避免 了支架出现“高射炮”现象。在采用电液控制的情况下，平衡千斤顶的控制 就更容易。 5 7. 双柱掩护式液压支架的稳定性优于四柱支架。 支架的结构稳定性是由四连杆 机构支架的稳定机构保证的， 支架的横向稳定性取决于四连杆参数和销孔间 隙。而双柱支架比四柱支架尺寸小，稳定性肯定好过四柱支撑掩护式支架。 8. 很明显地，两柱掩护式液压支架比四柱支撑掩护式支架重量小，更灵巧从而 方便移动8。 1.4 液压支架的研究现状液压支架的研究现状 近年来，随着有限元分析和优化设计的迅速发展，液压支架在这方面的应用也愈 来愈广泛，主要包括有：液压支架数据库及参数优化方法的研究与系统开发；设计 数学模型和三维受力计算方法；高液压支架结构件和阀的可靠性、耐用性研究；改 进液压支架立柱、千斤顶结构，提高其可靠性的研究；系列新型液压支架总体优化 设计、试验及推广应用；应用 cad 和可视化技术，实现支架整体应力分布色彩图谱 显示；研究支架的失效原因，制定结构可靠性设计准则和规范化参数系列及通用件 设计；研究改进支架所用阀的结构和表面处理工艺，提高可靠性和耐用性；全面改 进立柱、千斤顶结构，完成全系列高可靠性立柱、千斤顶 cad 图库。这些优化设计 的应用，大大的提高了液压支架的耐用性和可靠性，从而取得了重大的经济效益和 社会效益。 目前我国液压支架的有限元分析和优化设计的例子： 辽宁工程技术大学机械工程学院根据可能的外载状态利用 ansys 对结构进行强 度分析，以实现优化结构，提高结构的承载能力，降低结构的重量和支架的制造成 本，具有特别显著的技术经济效益。 山东大学采用 pro/e 建立液压顶梁的三维模型，并导入 ansys 进行有限元分析。 分析结果并提出在柱窝处添放加强筋、增加销轴孔处的壁厚、盖板尖角位置采用倒 角等建议来优化结构。 郑州煤矿机械厂使用 adina 对液压支架底座进行强度优化设计，在使液压支架 底座满足结构强度的条件下重量降低了 16.8%。 6 郑州轻工业学院利用 ansys 建立液压顶梁的模型，在扭转工况下对其进行优化 设计，使得结构最大等效应力降低 6.5%，重量减少 11%。 我国在液压支架的设计、制造方面已经积累了丰富的经验，目前支架的研究工作 主要还是针对支架的顶梁、底座、掩护梁或连杆等主体结构件。由于受到建模速度 的限制，研究工作较少涉及整架的分析，对液压支架的整体受力后强度变化、运动 趋势了解不够。且因各部件接触较复杂，往往采用销轴的连接方式而简化成线性有 限元计算，研究工作较少涉及部件的局部损坏。为了提高液压支架可靠性和稳定性， 促进采煤业的经济效应，将来这些研究工作还是很有必要的。 1.5 本文研究内容 本文研究内容 本文研究对象是 zy9400/28/62 型双柱掩护式液压支架，主要工作包括： 1) 进行支架总体设计，结合工程实际按照规范确定液压支架的参数和总体尺 寸；接着设计各个部件的尺寸和参数，在 solidworks 中绘制零件草图、完 成零件造型，并装配成整机后进行运动仿真分析。通过运动仿真验证整机 的稳定性及合理性。 2) 通过将液压支架实体模型简化成平面杆系，分别对支架在高位、中位、低 位三个位置结构进行 ansys 有限元分析和比较；对高位处的支架平面杆 系结构进行优化设计，优化目的是减轻整架重量。 3) 对掩护梁进行单独优化分析。在 ansys 中建立简化之后的掩护梁有限元 模型；以掩护梁最大变形和最大局部应力收敛为目的，划分三次网格最后 得到最优网格；分别从增大掩护梁局部受力面积、局部补强、加大过度圆 角半径等三个方面出发，达到消除局部最大应力的目的；试图调整加强肋 尺寸来减小构件最大变形，加大掩护梁刚度。 7 2 液压支架运动学分析液压支架运动学分析 solidworks 是著名的基于 windows 平台的三维 cad 软件，其功能强大，易学 易用，包含完整的 3d 产品设计解决方案。本章设计并采用 solidworks 建立了 zy9400/28/62 型双柱掩护式液压支架的几何模型，并对整体进行运动学分析，讨论 其结构设计的合理性并验证各部件间连接的合理性。 2.1 液压支架总体设计液压支架总体设计 液压支架的功能是支撑和控制工作面顶板，保证工人操作和机器运转所必须的 安全工作空间；随着工作面推进而实现推移工序的机械化，并提供足够的通风断面。 因此合理设计液压支架至关重要，直接影响工作面效率和劳动条件，为确保工人安 全生产、减轻劳动力起到很大作用。 液压支架主要由底座、前、后连杆、立柱、掩护梁、顶梁、前梁和各千斤顶等 部件组成。本文研究对象是双柱掩护式液压支架，其基本构造如图 2- 1。 图 2- 1：液压支架示意图 8 2.1.1 液压支架的参数确定 液压支架的参数确定 液压支架的参数主要有： (1) 支护强度 液压支架的支护强度直接影响支架的总重量和造价，其大小决定了液压支架结 构部件的截面形状，是设计中的重要参量。通常在考虑经济和技术两个方面的情况 下确定液压支架支护强度，过大会提高造价，支架也显得笨重；过小则可能出现压 垮支架等工程事故。 由于地质条件的变化和其他因素的随机性，目前支护强度的确定采用经验方法。 本次的设计由煤层等条件查手册得到液压支架支护强度 1.11 0. 2mpa。 (2) 初撑力 初撑力的大小是相对于支架工作阻力而言的，且与顶板的性质有关。初撑力较 大时可使支架较快地达到工作阻力，防止顶板过早离层，增加顶板的稳定性。初撑 力不易过大， 一般应大于工作阻力的 70 %。 本次设计的液压支架工作阻力设为为 41.4 mpa，初撑力设为 31.5 mpa。 (3) 支架调高范围 根据所采煤层的厚度、采区范围内地质条件的变化等因素来确定支架高度。考 虑到顶板有伪顶冒落、可能局部冒落等因素。 支架的最大高度： 5 . 3 1maxmax =+shh 式中： max h煤层最大采高， max h = 3.3 m 1 s 伪顶冒落最大厚度，取 1 s = 0.2 m 支架最小高度： egshh minmin 式中 min h煤层开采最小厚度 s 顶板下沉量，应取周期来压时的最大下沉量 9 g 顶梁上、底座下的浮矸厚度，g = 50mm e 移架时支架缩回量，e = 3050 mm 综合煤层厚度和地质条件，本次设计 min h=2800mm， max h=6200mm。 (4) 采煤机、运输机配套 采煤机选用艾柯夫 sl500 型号，运输机选用 joy 公司 42mmafc 型9- 13。 2.1.2 四连杆结构的设计四连杆结构的设计 1.四连杆作用 四连杆机构包括前连杆、后连杆、掩护梁，是液压支架最重要的部件之一。其 一方面作用是当支架高度由高向低变化时，借助四连杆机构使支架顶梁前端点的运 动轨迹呈近似双纽线，从而使支架顶梁前端点与煤壁间的距离变化减小，提高了管 理顶板的性能；另外一方面作用是使支架受力状态达到最佳，结构上既满足工作空 间的要求，又能承受足够的纵向力、横向力及扭矩。 2.四连杆满足的条件 ? 图 2- 2：四连杆机构示意图 四连杆机构如图 2- 2。o 为四连杆机构运动瞬心， 为掩护梁水平倾角，为后 连杆水平倾角。 o 10 支架在最高位置的时侯应该满足：5262，7585，支架在最低位置的 时侯，为了有利于矸石下滑防止矸石停留在掩护梁上，要求 tg w (摩擦系数) 。 同时为了安全可靠，最低工作位置应使 10为宜，而角主要考虑后连杆底部距底 板要有一定距离，防止支架后部冒落岩石卡住后连杆，使支架不能下降，一般取 2530，在特殊情况下需要角度较小时，可提高后连杆下铰点的高度。 用解析法可确定掩护梁的长度 3730mm，后连杆长度 2425mm，前连杆长度 2415mm， = 59 1 ， =12 2 ， =80 1 ， = 30 2 （1 代表高位，2 代表低位）14。 2.1.3 顶梁尺寸确定顶梁尺寸确定 顶梁全长：l = b+ u = 4080mm b 值的大小由以下几种参数确定：铲煤板到煤壁的距离、采煤机滚筒的截深、 输送机宽度、底座柱窝中心到底座前端的距离、立柱倾角和梁端距等。由几何关系， 计算得 b = 2980 mm。 u 为顶梁上柱窝中心到顶梁与掩护梁铰接点之间的距离，长度由结构而定，取 u = 1100 mm15- 16。 2.2 zy9400/28/62 型液压支架构件设计型液压支架构件设计 基于 zy9400/28/62 型双柱掩护式液压支架的设计规范， 本文利用 solidworks 三 维建模软件设计各个部件的模型。零件设计的基本步骤：先选择合适的基准面，绘 制各个部件的草图，再利用拉伸、旋转、扫描等常用命令即可得到零件的基本特征 和主要附加特征的造型，最后用倒角、圆角等命令完成零件的造型17。 下面分别对支架各部件进行尺寸设计，包括底座，底座、前后连杆、掩护梁、 顶梁、伸缩梁、一级护帮、二级护帮、立柱、千斤顶等。 在 solidworks 设计零件造型时，为方便忽略一些小的倒角、凹槽以及基于美观 设计的工艺结构等。最终设计造型接下来一一介绍。 底座零件造型如图 2- 3。其大体尺寸如表 2- 4 所示。 11 图 2- 3：底座模型图 表 2- 4 底座零件造型尺寸 长(mm) 宽(mm) 高(mm) 尺寸 3520 1650 1300 掩护梁及掩护侧板零件造型如图 2- 5。其大体尺寸如表 2- 6 所示。 图 2- 5：掩护梁、掩护梁侧板模型图 表 2- 6 掩护梁零件造型尺寸 长(mm) 宽(mm) 高(mm) 尺寸 3730 1620 600 顶梁及顶梁侧板零件造型如图 2- 7。其大体尺寸如表 2- 8 所示。 12 图 2- 7：顶梁、顶侧板模型图 表 2- 8 顶梁零件造型尺寸 长(mm) 宽(mm) 高(mm) 尺寸 4080 1590 650 后连杆零件造型如图 2- 9。其大体尺寸如表 2- 10 所示。 图 2- 9：后连杆模型图 13 表 2- 10 后连杆零件造型尺寸 长(mm) 宽(mm) 高(mm) 尺寸 2425 1590 950 前连杆零件造型如图 2- 11。其大体尺寸如表 2- 12 所示。 图 2- 11：前连杆模型图 表 2- 12 前连杆零件造型尺寸 长(mm) 宽(mm) 高(mm) 尺寸 2415 392 60 伸缩梁、一级护帮、二级护帮零件造型如图 2- 13。其大体尺寸如表 2- 14 所示。 图 2- 13：伸缩梁、一级护帮、二级护帮模型图 表 2- 14 伸缩梁、一级护帮、二级护帮零件造型尺寸 长（mm） 宽（mm）前高（mm）后高（mm） 伸缩梁 1600 1514 374 188 一级护帮1400 1216 345 230 二级护帮1300 1000 115 65 14 立柱/一级缸、立柱/二级缸、立柱/活柱零件造型图如图 2- 15。其大体尺寸如表 2- 16 所示。 图 2- 15：立柱模型图 表 2- 16 立柱零件造型尺寸 缸径（mm） 柱径（mm） 长（mm）总行程（mm） 一级缸 380 360 2186 1660 二级缸 280 260 2186 1652 活柱头直径（mm） 活柱筒直径（mm）长（mm） 活柱塞直径（mm） 活柱 200 275 2186 260 伸缩千斤顶、平衡千斤顶、护邦千斤顶零件造型图如图 2- 17。其大体尺寸如表 2- 18 所示。 图 2- 17：由上而下平衡、护邦、伸缩千斤顶模型图 15 表 2- 18 平衡、护邦、伸缩千斤顶零件造型尺寸 200 平衡千斤顶100 伸缩千斤顶63 护邦千斤顶 活塞杆长(mm) 908 1191 541 活塞外径(mm) 140 80 56 活塞内径(mm) 110 68 50 缸体长(mm) 900 880 540 缸体外径(mm) 240 127 86 缸体内径(mm) 200 100 63 工作长度(mm) 9801545 12332033 565895 2.3 液压支架整体装配及干涉检查液压支架整体装配及干涉检查 液压支架各个零件设计完成之后， 即可在 solidworks 中将所有部件装配成整机。 首先从底座零件生成装配体并固定，开始采用自下而上的倒树状层次结构法，依次 插入各零件，可“移动零部件”或者“旋转零部件”，并利用“重和” 、“同轴”、 “平行”、“垂直”、“距离”等配合命令将其与已生成装配体组装，最后得到整 体结构。操作中就是要正确分析各个部件在整机中的位置和作用，明确相关零部件 之间的装配关系和运动关系，从而保证装配后的整机定位准确、运动灵活，不至于 发生干涉17- 19。 液压支架整机中的顶梁与掩护梁之间，掩护梁与前后连杆之间，以及前后连杆 与底座之间都是利用销轴将两部分铰连在一起，因此这些部分的配合在本次整机装 配中的命令采用“同轴”。“同轴”也是本次液压支架装配工作中用得最多的命令。 液压支架整机三维模型图正视图、前视图、仰视图如图 2- 19、2- 20、2- 21 所示。 16 图 2- 19：液压支架正视图 图 2- 20：液压支架前视图 图 2- 21：液压支架仰视图 整体模型生成之后，利用 solidworks 自带的干涉检查评估体系对初始设计的支 架结构进行静态干涉检查，即检查是否存在在整机装配过程中出现的偏差导致的零 17 件之间可能的“碰撞”。检查结果得到如图 2- 22 所示有 22 个干涉（包括图 2- 22 中 未显示的） 。 图 2- 22：液压支架初始结构干涉检查 按照已经出现的干涉结果，一一分析支架尺寸在初始设计中存在的问题，并进 行相应的调整。通过干涉检查中显示的干涉位置和尺寸大小，可以发现液压支架的 顶侧板、立柱/二级缸、掩护梁、掩护侧板、平衡千斤顶、推移千斤顶的细节尺寸需 要进行修改，伸缩梁与顶梁的装配也存在问题。 经过多次尝试与修改，最后得到了无干涉情况发生的整体支架模型。如图 2- 23 所示。干涉检查结果如图 2- 24。 图 2- 23：无干涉的液压支架模型 18 图 2- 24：干涉检查结果 2.4 液压支架运动仿真分析液压支架运动仿真分析 通过了干涉检查，说明模型各个部件的装配和连接是合理的，接下来就可以对 其进行运动仿真分析，进一步的验证它的可靠性。solidworks 软件提供运动仿真插 件“motion”，界面简单易操作。由于支架运动相对简单，在“motion”中可以直 观观察到液压支架在整个运动过程中的运动轨迹、重心轨迹，并能将仿真结果,如某 零件的位移、速度、加速度等的变化趋势，通过图表的形式直观地表现出来。 2.4.1 “motion”基本假定基本假定 进行“motion”分析之前有几个基本的假设： 1. 顶梁上表面与底座底面平行。 由于模型中立柱的运动副是由同轴心的移动副来进行描述的，这种描述方 法没有考虑立柱对顶梁的作用效果，需假定顶梁与底座平行对顶梁进行约束。 2. 不考虑各连接处的间隙。 这是一种理想模型，忽略各种摩擦，使得分析问题更简单。 3. 销轴端面与所连接的构件表面平行且距离值恒定。 实际上就是约束了销轴在 x 和 y 平面的自由转动以及 z 平面的移动。 4. 立柱和千斤顶的活塞杆与其所配合的油缸同轴心。 19 因为立柱和千斤顶的运动副是用同轴心的移动副来进行约束，简化之后不考 虑会出现的偏斜情况。 5. 机构的主动力源作用于立柱的活柱上。 由于本文研究对象是双柱掩护式液压支架，为了模拟支架在整个调高范围内 的运动情况，假设立柱相对缸体沿轴线方向直线运动，其行程为运行位移20。 2.4.2 液压支架运动轨迹液压支架运动轨迹 在 solidworks 的“motion”会基于装配体的约束关系自动生成运动副，添加动 力系统，输入仿真参数就可以开始进行运动仿真。 本文为简单明了观察支架运动规律，仅在液压支架双柱的活柱施加相对于立柱 方向向下的 1kn 的力作为主动力源。各个千斤顶缸和杆之间的阻尼、立柱的一级缸 和二级缸之间的阻尼、 立柱的二级缸和活柱之间的阻尼皆设为线性阻尼 10n/(mm/s)。 运动初始状态和受力状态如图 2- 25，运动结束状态如图 2- 26，时间间隔设置为 6s。 图 2- 25：支架运动初始状态和受力状态 20 图 2- 26：支架运动结束状态 solidworks 的“motion”操作简单，运动仿真结束之后，可以得到液压支架包 括位移、速度、加速度、力、动量、能量等计算结果。为了验证液压支架模型和连 接的合理性，本文从结果中提取液压支架运动轨迹进行分析判断。 motion 的计算结果中可以得到液压支架的质心竖直位移和水平位移随时间的变 化曲线，从而得到其重心轨迹曲线。如图 2- 27。可以观察到，在支架运动初期重心 基本没有发生改变，过了一临界点之后开始大幅度下降。这也说明了液压支架从最 高工作位置开始下降到低工作位的过程中，运动初期是有很明显的水平位移，后期 则是下沉趋势，对水平摆动无影响21- 23。 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 -150-100-50050100150 重心水平 重心 重心轨迹图 图 2- 27：液压支架重心轨迹曲线 从重心位置变化规律来看，其竖直值大致在 1000- 3000mm 之间变化；图表中 0 点为底座中心， 而底座全长 3520mm， 可看出在运动过程中支架的重心水平值大致保 21 持在一个相对底座长较小的范围（- 150mm，150mm）内变化，而且分布对称均匀。 这个结果明显说明结构在受外荷载的情况下不至于发生倾覆，支架是安全稳定的。 2.4.3 液压支架各部件运动轨迹液压支架各部件运动轨迹 solidworks 的 motion 还可以直观的得到各个零件的跟踪路径，即运动轨迹。具 体操作是：选择一零件，再选择一定点，即可得到该零件在整个运动过程中相对于 该点的运动路径。本文取支架的底座上一顶点为定点，分别得到掩护梁、顶梁、立 柱/活柱、二级护帮的跟踪路径即运动轨迹。如图 2- 28 所示。 图 2- 28：液压支架各部件重心轨迹图 从图中可以看出，液压支架各部件运动规律正常，液压支架整体模型的装配中 的各部件的连接是合理可行的。 2.5 本章小结本章小结 本章首先根据液压支架的各种参数， 采用 solidworks 设计 zy9400/28/62 型液压 支架的部件结构并建立其几何装配模型；接着对整机进行干涉检查以检测模型装配 的合理性，通过干涉检查的结果避免液压支架的设计模型的零件之间的“碰撞” ；然 后使用 solidworks 的“motion”插件对液压支架整机进行简单的运动仿真模拟，验 证其设计和装配的合理性。 二级护帮 掩护梁 活柱 顶梁 22 3 液压支架平面杆系简化模型数值模拟液压支架平面杆系简化模型数值模拟 为了进一步验证支架的结构稳定性，本章在 ansys 中将 zy9400/28/62 型双柱 掩护式液压支架简化成平面杆系模型，分别对其在高位、中位、低位三个位置的结 构进行有限元分析和比较，并对高位的结构进行优化设计。 3.1 液压支架平面杆系的简化液压支架平面杆系的简化 液压支架平面杆系的简化过程为： 1. 忽略结构复杂的工艺和千斤顶，提取支架结构中主要受力的部件底座、前连 杆、后连杆、掩护梁、顶梁设计设为杆件。 2. 底座和顶梁简化设计长度取实际长度。 前连杆、后连杆以及掩护梁的简化设计长度取其在原结构中的销轴到销轴 的距离。 3. 前连杆、 后连杆以及掩护梁的简化设计长度取其在原结构中的销轴到销轴的 距离。 4. 将前连杆和后连杆的销轴与底座的连接部分简化为连杆， 取销轴到底座竖直 长度。 5. 结点为固结。 这样的简化方法在使得计算方便的情况下，保证了液压支架平面杆系结构最大 程度上接近原结构24- 26。 3.2 液压支架平面杆系建模 液压支架平面杆系建模 3.2.1 液压支架的简化杆系液压支架的简化杆系 zy9400/28/62 型双柱掩护式液压支架的工作高度范围为 28006200mm，故从工 程实际出发用 ansys 的 beam188 单元分别建立液压支架 2800mm、4500mm、 23 6200mm 三个位置平面杆系模型。 最终简化的高位 6200mm 的液压支架平面杆系如图 3- 1 所示所示，中位置 4500mm 的液压支架平面杆系如图 3- 2 所示， 最低位置 2800mm 的液压支架简化杆系 如图 3- 3 所示。 图 3- 1：液压支架简化杆系最高位 图 3- 2：液压支架简化杆系中位 24 图 3- 3：液压支架简化杆系最低位 3.2.2 液压支架截面的确定液压支架截面的确定 液压支架的主要部件的截面基本形状有四种：对称的多腔室箱形截面、非对称 的多腔室闭合截面、多腔室局部开口截面、单腔室和双腔室截面27。如图 3- 43- 7 所示。 图 3- 4：对称箱形截面 25 图 3- 5：非对称箱形截面 图 3- 6：局部开口截面 图 3- 7：单腔室和双腔室截面 将液压支架的实体模型与截面类型一一对应，可知底座截面属于两个单腔室截 面组合一起的，前连杆截面是单腔室截面，后连杆的则是由单腔室截面组合而成。 掩护梁和顶梁的截面都属于非对称箱形截面，伸缩梁的截面是局部开口截面的一种。 26 为了尽可能模拟液压支架各部件的截面特征又能达到简化的作用，本文将各杆 的截面设为单腔室截面：各部件面积=液压支架实体结构的各个部件体积/各部件长 度。使得简化后的各部件与原模型部件刚性一致，既按照刚性等效的原则简化模型。 简化结果如下： 顶梁截面长 1610mm，宽 528mm，腔壁厚分别为 60、70mm，如图 3- 8。图中单 位为 cm，下同。 图 3- 8：顶梁截面示意图 底座截面长 1490mm，宽 670mm，腔壁厚 50mm，如图 3- 9。 图 3- 9：底座截面示意图 掩护梁截面长 1530mm，宽 370mm，腔壁厚分别为 50、37mm，如图 3- 10。 图 3- 10：掩护梁截面示意图 后连杆截面长 1574mm，宽 235mm，腔壁厚分别为 60、30mm，如图 3- 11。 27 图 3- 11：后连杆截面示意图 前连杆截面长 724mm，宽 280mm，腔壁厚分别为 60、56mm，如图 3- 12。 前连杆和后连杆与底座相连的杆件截面取底座的截面。 图 3- 12：前连杆截面示意图 在 ansys 中给液压支架连杆体系各个部件附加截面之后，分别进行网格划分。 网格划分结果为高位节点数 176 个，单元数 176 个；中位节点数 177 个，单元数 177 个；低位节点数 174 个，单元数 174 个。得到平面杆系立体图如下。 高位液压支架平面杆系示意图如图 3- 13，中位液压支架平面杆系示意图如图 3- 14，低位液压支架平面杆系示意图如图 3- 15。 28 图 3- 13：高位液压支架平面杆系示意图 图 3- 14：中位液压支架平面杆系示意图 29 图 3- 15：低位液压支架平面杆系示意图 3.3 液压支架平面杆系有限元分析 液压支架平面杆系有限元分析 在工作状态中，受外力作用即液压油缸的驱动下，液压支架的运动是很缓慢的， 运动位移仅仅几毫米。因此本文仅仅对液压支架的平面杆系进行静力分析，不进行 动力分析。 3.3.1 荷载和边界条件的确定 荷载和边界条件的确定 液压支架的工况主要包括：顶梁两端集中载荷、顶梁扭转、顶梁偏载、顶梁中 部集中载荷、底座两端集中载荷、底座扭转、柱窝加载、水平加载等等。本文选择 30 结合“顶梁两端集中荷载”和“底座两端集中载荷”两种工况对支架进行计算28- 30。 两种工况示意如图 3- 16，顶梁和底座的垫块位置和尺寸如图所示。 图 3- 16：液压支架工况示意图 由于在工作面开采过程中，液压支架同时要承受立柱的支撑载荷和来自工作面 周围岩土的压力载荷。如果把垫块对支架的作用力当作外力来考虑，此时的结构状 况就属于超静定系统，无法利用力的平衡方程解出垫块对液压支架的作用力。所以 在有限元分析计算中我们不把垫块的作用力当成外力来考虑，而是把垫块的作用处 理成为边界条件。 因此边界条件可以根据垫块位置和尺寸而确定，并设置为固结。 荷载的确定：忽略立柱，取而代之以外荷载 25000kn。荷载方向即立柱方向， 针对不同位置将荷载分解到 x、y 方向即可。荷载数值如图 3- 17 所示。 荷载 低位 中位 高位 x 方向（kn）6564.823298.122883.83 y 方向（kn）24122.7124781.5224832.98 图 3- 17：液压支架荷载数值图 添加边界和荷载之后的模型如图 3- 18、3- 19、3- 20 所示。 31 图 3- 18：液压支架高位约束荷载示意图 图 3- 19：液压支架中位约束荷载示意图 32 图 3- 20：液压支架低位约束荷载示意图 3.3.2 有限元计算和结果分析 有限元计算和结果分析 材料参数设定：弹性模量 e=200gpa，泊松比=0.3，密度=7.85g/cm3，重力 加速度 g=9.8n/kg。给上述模型添加参数后进行计算，提取计算结果如下。 1.高位的支架计算结果高位的支架计算结果 液压支架高位的等效应力结果如图3- 21所示， 最大局部应力大小为813.092mpa， 出现在底座处，具体位置如图 3- 22 中的红色区域。 图 3- 21：液压支架高位等效应力图 33 图 3- 22：液压支架高位最大应力局部图 高位等效应变结果如图 3- 23 所示，最大局部应变大小为 0.004065，位置同最大 局部应力处。位移图如图 3- 24，最大位移 29.293mm，出现在掩护梁中下段。 图 3- 23：液压支架高位等效应变图 图 3- 24：液压支架高位位移图 2.中位的支架计算结果中位的支架计算结果 34 液压支架中位的等效应力结果如图3- 25所示， 最大局部应力大小为813.092mpa， 出现在底座处，具体位置如图 3- 26 中的红色区域。 图 3- 25：液压支架中位等效应力图 图 3- 26：液压支架中位最大应力局部图 等效应变结果如图 3- 27 所示，最大局部应变大小为 0.004524，位置同最大局部 应力处。位移图如图 3- 28，最大位移 36.804mm，出现在掩护梁中段。 35 图 3- 27：液压支架中位等效应变图 图 3- 28：液压支架中位位移图 3.低位的支架计算结果低位的支架计算结果 液压支架低位的等效应力结果如图 3- 29 所示，最大局部应力大小为 1191mpa， 出现在前连杆与底座的交接处，具体位置如图 3- 30 中的红色区域。 36 图 3- 29：液压支架低位等效应力图 图 3- 30：液压支架低位最大应力局部图 等效应变结果如图 3- 31 所示，最大局部应变大小为 0.005953，位置同最大局部 应力处。位移图如图 3- 32，最大位移 50.009mm，出现在掩护梁中下段。 图 3- 31：液压支架低位等效应变图 37 图 3- 32：液压支架低位位移图 分析液压支架平面杆系的三个不同位置的计算结果，可以看出随着支架位置变 高，结构的最大应力、最大应变和最大位移随之减小。可见液压支架的工作位置越 低，结构稳定性越差，越危险。如图 3- 33 所示。 低位 中位 高位 最大局部应力（mpa）1191 904.874813.092 最大应变 0.0059530.0045240.004065 最大位移（mm） 50.009 36.804 29.293 图 3- 33：液压支架三个位置结果比较 另外可以发现，高位和中位的最大局部应力和最大应变出现的位置都在底座的 柱窝处，而低位的最大局部应力和应变出现的位置是前连杆与底座交接处。由于液 压支架的工作在低位的时候，底座对前连杆的作用最大，支架升高作用力便向底座 转移，可知前连杆的最危险工作状态就是支架处于低位的时候。 3.4 液压支架高位平面杆系优化 液压支架高位平面杆系优化 优化设计是机械设计方法中的重要组成部分，它是一种寻找和确定最优设计方 案的技术。所谓“最优设计” ，是指设计方案在满足所有设计要求的前提下，使得被 优化的目标最小。根据工程实际情况，可以相应的优化结构的重量、面积