液压支架运动仿真-proe

河北工程大学毕业设计 I 摘要 当前，我国制造业已经全面完成电图版工程，我 国 二维 CAD 技术的普及结束了手工绘图的历史，对减轻工程人员的劳动强度，提高经济效益起到了很明显的作用。随着技术的发展， CAD 技术正从二维 CAD 向三维 CAD 过度，三维建模技术是 CAD 技术的核心，建模技术的研究、发展和应用，代表了 CAD 技术的发展水平。三维 CAD/CAE 技术在产品的三维造型、虚拟装配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿真等方面带来了革命性的突破，极大地提高了设计效率和设计质量。 Pro/E 软件是目前国内外最为先进的基于特征的三维参数化设 计系统之一。本论文较系统地阐述了利用 Pro/E软件实现放顶煤液压支架三维实体建模和运动仿真分析的基本方法和技巧。并大体介绍了液压支架的选型原则、各部件尺寸设计及结构设计等内容。 通过对液压支架进行运动仿真证明，设计支架尺寸合理，运动灵活，无运动干涉区域，顶梁前端一点的运动轨迹符合近似双纽线的要求。 关键词 ： Pro/E；液压支架；三维建模；仿真 河北工程大学毕业设计 II Abstract At present, Our country manufacturing industry has completed the project comprehensively of fling the chart board , and the popularization of two-dimensional CAD technology has finished the manual cartography history ,which plays a very obvious role in reducing the project personnels work and enhancing the economic benefit .With the development of technology ,the CAD is transiting from two-dimensional to three-dimensional . Three-dimensional modeling technology is the CADs core , and its research, development ,application on behalf of the CADs development. Three-dimensional CAD/CAE technology takes a revolutionary breakthrough at products three-dimensional modeling ,hypothesized assembly ,creating the engineering plat , dynamic interference examination ,organization movement analysis , dynamic simulation ,finite element analysis etc , which enormously enhances the efficiency and quality of design. Pro/E is at present one of the most advanced 3Dparameter CAD soft wares that based on the features. It is introduced in a systematic way the method and technique for the 3D parameter solid model and simulation of the hydraulic support with Pro/E. After the movement simulation analysis support ,it is proved that this hydraulic support have a reasonable size ,flexible movement and no movement interferes region ,the movement path of one point at the front of top-beam reaches request of similarly double turns the line . Key words: Pro/E ； hydraulic support ； modeling ； simulation 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 液压支架的发展史 . 1 1.2 液压支架的研究与应用现状 . 2 1.2.1 液压支架在我国煤矿生产中的地位和作用 . 2 1.2.2 目前液压支架的研究与应用现状 . 2 1.2.3 液压支架未来的发展趋势 . 3 1.3 本课题的确定和主要研究内容 . 3 1.4 本课题的研究方法与技术路线 . 4 第 2 章 液压支架 的总体方案设计 . 4 2.1 液压支架的概述 . 4 2.1.1 液压支架的组成和用途 . 4 2.1.1.1 液压支架的组成 . 4 2.1.1.2 液压支架的用途 . 4 2.1.2 液压支架的工作原理 . 5 2.1.3 液压支架的支护方式 . 7 2.2 液压支架总体方案比较与确定 . 7 2.2.1 液压支架的选型 . 7 2.2.1.1 液压支架的支撑力与载荷关系 . 8 2.2.1.2 液压支架架型的分类 . 8 2.2.1.3 液压支架选型原则 . 10 2.3 液压支架的整体结构尺寸 . 11 2.3.1 液压支架基本技术参数的确定 . 11 2.3.1.1 支护高度 . 11 2.3.1.2 支架间距和宽度的确定 . 12 2.3.1.3 底座长度 . 13 2.3.1.4 支护强度 . 13 2.3.2 底座形式的选择 . 13 第 3 章 液压支架的 主要部件设计 . 16 3.1 采煤机和运输机型号的确定 . 16 3.2 顶梁的确定 . 16 3.3 对顶梁长度的影响 . 18 3.4 顶梁主要尺寸的确定 . 18 3.5 掩护梁的结构及参数的确定 . 20 3.5.1 掩护梁的作用和用途 . 20 3.5.2 掩护梁的结构形式 . 20 3.5.3 掩护梁的参数确定 . 21 3.6 立柱及主要参数的确定 . 21 3.6.1 立柱布置 . 21 3.6.2 立柱主要参数确定 . 22 3.7 平衡千斤顶位置的确定 . 24 3.7.1 平衡千斤顶安装位置的确定原则 . 25 3.7.2 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定 . 25 第 4 章 三维参数化造型设计与装配 . 28 4.1 液压支架建模与装配的目的 . 28 4.2 液压支架的三维实体建模 . 29 4.3 液压支架的整机装配 . 30 第 5 章液压支架的运动仿真 . 37 5.1 液压支架运动仿真的一般过程 . 37 5.2 仿真结果分析 . 39 结论 . 44 参考文献 . 44 致谢 . 45 河北工程大学毕业设计 1 第 1 章 绪论 1.1 液压支架的发展史 从历史来看，大约在四五十年前工作面还是用木支柱。随着刨煤机、钻削式和滚筒式采煤机等快速采煤机的使用，木支柱既不能对顶板提供足够大的阻力，其支护和回收亦难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩性摩擦的液压支柱所代替，并以支柱铰接顶梁的结构形式支护回采工作面。 1954 年，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤矿工业的新时代。 1958 年法国试验成功了节式支架。 五十年代末期，为了开采煤层厚度超过 2m 的松散和破碎顶板条件下的褐煤 ，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于 1961 年在阿乐斯 科拖举办的贸易展览上展出了 OMKT 型掩护式支架。这种支架定量很短，仅 0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁做圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且断面距变化很大，不利于顶板的维护。但比垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力好。 为了保持顶梁端点相对于煤壁做近似的直线运动，在 OMKT 型掩护式支架的基础上作了许多改进： 60 年代 末和 70 年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为了适应底板不平，底座采用分离铰接结构：对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为了防止碎矸石窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。 1974 年，英国国家煤炭局实施的“高科技采煤工程”推动了液压支架即采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。 进入 70 和 80 年代，液压支架仅有了 新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微电机控制于操作。 1981 年杜塞尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为 6m 的大采高支架及放顶煤支架；对坚硬岩层设计了强力河北工程大学毕业设计 2 液压支架等。 我国液压支架是从 50 年代末开始研制，经历可研制试验、引进、仿制和改进创新等阶段，直到现在的独立设计阶段。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。 1.2 液压支架的研究与应用现状 1.2.1 液 压支架在我国煤矿生产中的地位和作用 液压支架式综采工作面煤层地下支护的关键设备，它的性能的好坏直接影响着矿山企业的产量和井下人员的安全。 1.2.2 目前液压支架的研究与应用现状 国内外研究概况 随着科学技术的进步与发展，对产品设计和产品开发提出了越来越高的要求。从设计技术和方法看，三维 CAD 已成为产品设计的主流，并正在向着设计、分析、优化、装配、仿真、制造等集成化的方向发展；从产品的表现形式看，仅凭二维图样作为技术交流的媒介已不能满足现代设计的需要，而人们越来越热衷于三维实体化、形体参数化、产品形象化。从 产品的市场需求看，则更是要求不断提高产品质量和设计效率、缩短产品开发周期。因此，一些新的设计理念和设计手段，如全数字化设计、无纸设计、参数化设计、并行设计、协同设计、虚拟设计等便应运而生。 国外 CAD 技术的研究与应用体现在两个方面：一是优秀的 CAD 软件版本不断更新，为企业产品设计提供高效平台，二是 CAD 技术在企业的广泛应用，推动了机械制造业的信息化。目前，国际上流行的 CAD 软件主要有：美国 PTC公司的 Pro/E、 USS 公司的（ UG）、 Autodesk 公司的 MDT、生信国际有限公司的 Solid Works、 SDRC 公司的 I-DEAS 等，它们都是以三维参数化实体造型为基础的 CAD 系统。特别是 Pro/E 所采用的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械 CAD 的传统观念，并已成为当今机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械产品， Pro/E 能将设计至生产全过程集成到一起，实现所谓的并行工程。 国外应用 CAD 技术比较成功的企业有：美国的波音公司、通用汽车公司、欧洲威尔泵业公司（ Weir PumpsLtd.）、日本三菱电机公司等。 CAD 技术曾为这河北工程大学毕业设计 3 些企业带来了巨大的经济效益和社会效益。 如：美国福特公司应用三维 CAD 技术后，将新型汽车开发周期从 18 个月压缩到 l2 个月，减少了 90%的实物模型，减少新产品的设计更改 50% 以上，减少新汽车试制成本 50%，提高投资收益30%。 我国真正意义的 CAD 尚处于起步阶段。陈欣博士利用 ADAMS 和 ANSYS软件对轿车悬架及整车动力学性能进行的仿真分析，詹文章博士对转向架和车辆的虚拟制造技术进行的研究，吴涛博士在面向自顶向下设计过程的三维特征建模技术研究的基础上研制的三维 CAD 原型系统 KmEngineer 等，都在一定程度上代表了我国 CAD 技术的研究水平。但目 前国内 CAXA 等三维 CAD 软件的成熟度不高，市场占有率不到 15%。前不久，中国机械工业联合会对机械制造企业调查结果显示：我国制造业 CAD 应用基本普及，但只是“甩掉了图板”，使用基于三维产品模型的 CAD/CAM 技术的企业不多，将三维参数化 CAD 技术应用于液压支架等煤炭机械方面的研究在近两年才刚刚开始，目前尚处于起步阶段。 由于液压支架是煤炭矿井开采中一种非常重要的支护设备，其性能如何将直接对井下生产安全和生产效率产生重大影响。因此，本课题的研究与开发不仅具有重要的理论研究意义，更具有巨大的实际应用价值。 1.2.3 液压支架未来的发展趋势 全球经济的一体化使得机械产品市场的竞争日益激烈。为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低研发成本。在这种要求下，使得以虚拟样机技术为代表的计算机技术不断发展，虚拟设计逐步成为机械设计领域的一种全新的设计及方法。运用虚拟设计，可以在产品设计初期、设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。 1.3 本课题的确定和主要研究内容 长期以来，对液压支架进行设计以及运动模拟主要是通过数据 和二维图形进行的，局限性大。本文将三维参数化造型、虚拟装配和运动仿真引进液压支架的设计中，以及缩短开发周期，减少研发成本，提高产品质量，提升产品的市场竞争力。 本文分析了液压支架的工作原理，进行了液压支架整体结构尺寸设计及主要部件的设计。 河北工程大学毕业设计 4 1.4 本课题的研究方法与技术路线 本文利用 PRO/E 对液压支架进行快速建模，然后利用其运动模块（ MECHANISM）实现了对液压支架的升柱、降柱、推溜、移架等的运动过程的动态仿真，分析仿真结果表明建立的模型和设置的仿真参数的正确，支架尺寸合理，运动灵活，无运动干涉区域， 顶梁前端一点的运动轨迹复合近似双钮线的要求。 第 2 章 液压支架 的总体方案设计 2.1 液压支架的概述 2.1.1 液压支架的组成和用途 2.1.1.1 液压支架的组成 1）承载结构件，顶梁、底座、掩护梁、连杆、立柱、推移装置等，其主要功能和传递顶板和跨落岩石的载荷。 2）液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。 3）控制元件部，包括液压系统操纵阀、单向阀、安其主要功能是操控支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。 4）辅助装置，如推移装置、护帮（或跳梁）装置、伸缩梁（ 或插板）装置、活动侧护板、防护倒滑装置、连接件等。这些装置时为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。 2.1.1.2 液压支架的用途 在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工作人员安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架式以高液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能够实现支撑、切顶、移架和推移输送机灯一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯 曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，他的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架式技术上先进、经济上合理，安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动河北工程大学毕业设计 5 化不可缺少的主要设备。 2.1.2 液压支架的工作原理 液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。 1)升柱 当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相 连接的顶梁紧紧接触顶板。如图 2-1 所示。 2)降柱 当需要将柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。 图 2-1 支架和运输机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一回液腔，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉回煤壁；当需要推输送机时，支架支撑动版都，高压液进入推移千斤顶的活塞，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。 支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图 2-2 所示。 河北工程大学毕业设计 6 图 2-2 支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段。支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使定量接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑力阶段 T0。 此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为： 32 104 nPdP hc KN 式中 d-支架立柱的缸径， m； hp -泵站的工作压力， MPa； n-支架立柱的数量； 由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理地初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。 支架初撑力之后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。此阶段为增阻阶段 T1， 随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架安全阀压力调节正值时，安全阀打开而溢流， 立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪变化，此阶段为恒阻阶段 T2。 支架工作阻力为 河北工程大学毕业设计 7 32 104 nPDp a KN 式中 ap -支架安全阀的调定压力 MPa； 支架的工作阻力标志着指甲的最大承载能力。 对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。 支架的工作阻力是指甲的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小，但是 ，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，常用单位支护面积顶板上受支架工作阻力的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即 310 fpqMPa 式中 f -支架的支护面积， 2m 。 2.1.3 液压支架的支护方式 综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。 3 个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的 3 种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。 1）即时支护 一般循环方式为：割煤 移 架 推溜，工作面“三机”的配套关系。即时支护的特点是，顶板暴露距离较小。适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。 2）滞后支护 一般循环方式为：割煤 推溜 移架。滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定，完整的顶板。 3）复合纸糊 一般循环方式为：割煤 支架伸出伸缩梁 推溜 收伸缩梁 移架。 复合支架的特点是：支护滞后时间短，丹增加了反复支撑次数，可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加， 适应高效要求，目前应用较少。 2.2 液压支架总体方案比较与确定 2.2.1 液压支架的选型 河北工程大学毕业设计 8 2.2.1.1 液压支架的支撑力与载荷关系 支撑掩护式支架式为了改善上述两类支架的性能和对顶板的适应性而设计的。主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增加了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支护和承载能力。所以，此种支架介于以上两种支架的中间状态，提高了适应范围，适用于顶板较坚硬，顶板压力较大或顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图 2 3 所示。 2.2.1.2 液压支架架型的分类 按照液压支架在采煤工作面安装的位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称断头 支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。 目前使用的液压支架分三类：支撑式、掩护式、支撑掩护式。 支撑式液压支架：支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。如图2 3，前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面得顶板，维护工作空间。顶板岩三石 则在顶梁后部切断跨落。这支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板紧硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。 河北工程大学毕业设计 9 图 2-4 掩护式支架：掩护式支架有插腿式和非插腿式两种形式。如图 2 4 所示顶梁较短，对顶板的作用力均匀：抵抗直接顶水平运动的能力强：防护性能好调高范围大、对煤层变化适应性强：但整架工作阻力小，通风阻力大、工作空间小。这类支架适用于直接定不稳定或稳定的煤层。 图 2-5 a-插腿式支架 b-立柱支在掩护式菲插腿式支架 c-立柱支在顶梁上非插腿式支架 支撑掩护式支架：支撑掩护式支架架型主要：四柱在顶梁上（如图 2-5a,b所示）：二支柱在顶梁（ 2-5， c）一柱或二柱支架在 掩护梁上。支柱两排，每排1-2 根，剁成倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护两盒四连杆机构。它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价格贵，不便于运输。这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚煤层中。 河北工程大学毕业设计 10 图 2-6 2.2.1.3 液压支架选型原则 液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面的条件，投产后能做到高产、高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备进行选择。 液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。一般情况下课根据顶板的级别直接选出架型。 当煤层厚度超过 2.5m 时，顶板有侧向推力时，应选用抗扭能力强制家，一般不宜先用支撑式支架。 当煤层厚度达到 2.52.8m 以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式双伸缩立柱的支架。 应使支架对底板的比压不超过底板的抗压强度。在底板较软的条件下，应选用抬底装置的支架或插腿掩护式支架。 煤层倾角 10 时，支架课不设倒滑装置 1525 度时，排头支架应设放倒滑装置，工作面中部输送 机设防滑装置，工作面中部支架设底设千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。 对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规定的要求，并优先选用通风面积大的支撑式或支撑掩护式支架。 当煤层为软煤时，支架最大采高一般 2.5m；中硬煤层时，支架最大采高一般 3.5m；硬煤层时，支架最大采高 5m。 在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。 断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露 58 m2 ，时间在 20 分钟以上时，暂不宜采用 综采。 特殊架型的选择可根据特殊架型中各节的适用条件进行选择。 河北工程大学毕业设计 11 液压支架设计的原始条件 如表 2-1 所示。 表 2-1 老顶 级别 直接顶 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支架类型 掩护式 掩护式 支撑式 掩护式 掩护式获支撑是 掩护式 支撑掩护式 支撑掩护式 支撑或支撑掩护式 支撑或支撑掩护式 支撑方式 采高 2.5m 支架支护强度 采高 1 2 3 4 0.294 1.3 0.294 1.6 0.249 2 0.294 应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理才空区 0.343（ 0.245） 1.3 0.343（ 0.245） 1.6 0.343 2 0.343（ 0.245） 0.441（ 0.343） 1.3 0.441（ 0.343） 1.6 0.441 2 0.441（ 0.343） 0.539（ 0.441） 1.3 0.539(0.441) 1.6 0.441 2 0.539(0.441) 单体支柱支护强度 采高 1 2 3 0.147 1.3 0.147 1.6 0.147 按采空区处理 0.245 1.3 0.245 1.6 0.245 0.343 1.3.343 1.6 0.343 注：括号内的数字式掩护式支架的支护强度。表中所列支护强度在选用时，课根据本矿情况允许有 5%的波动范围。 表中 1.3、 1.6、 2 分别为、级老顶的分级增压系数；级老顶只能给出最低值 2，选用时可根据本矿的实际情况确定适宜值。 2.3 液压支架的整体结构尺寸 2.3.1 液压支架基本技术参数的确定 2.3.1.1 支护高度 原始条件： 支撑掩护式轻型放顶煤液压支架 顶 压： 200 吨（最大 300 吨） 煤层厚度： 25m 煤层倾角： 8 顶板性能： 中等稳定、平整 河北工程大学毕业设计 12 底板性能： 中硬 瓦斯含量不大 支架高度确定原则，应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，其最大与最小高度为： H 大 h 大 +S1 (mm) (2-1) H 小 h 小 S2 a (mm) (2-2) 式中 ： H 大 支架最大高度 ， mm H 小 支架最小高度， mm h 大 煤层 最大高度， mm h 小 煤层最小高度 ， mm S1 考虑伪顶煤冒落时，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取 200-300mm， S1 取 250mm。 S2 底板最大下沉量是，一般取 100-200mm， S2 取 100mm。 a 移架时支架的最小可伸缩量，一般取 50mm。 浮矸石、俘煤厚度，一般取 50mm。 由式 2 1 可得 H 大 5000+250=5250mm 由式 2 2 可得 H 小 2000-100-50-50=1800mm 所以取： H 大 =5250mm H 小 =1800mm 2.3.1.2 支架间距和宽度的确定 所谓支架间距，就是相邻两支架中心之间的距离。用 bc 表示。支架间距 bc要根据支架型式来确定，但由于每支架的 推移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据刮板输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶链接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽长为 1.5m，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距大部分为 1.5m，大采高支架为提高稳定性中心间距可采用 1.75 米，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心间距可采用 1.25 米。因此本设计预取 bc=1.25m。 支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。宽度的确定应考虑支架的运输、安装河北工程大学毕业设计 13 和调架要求。支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为 170200mm。当支架中心间距为 1.5 米时，最小宽度一般取 14001430mm，最大宽度一般取15701600mm。当支架中心距为 1.75 米时，最小宽度一般取 16501680mm，最大宽度一般取 18501880mm。当支架中心间距为 1.25m 时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度 11501180mm，最大宽度一般取 13201350mm，如果顶梁不带活动侧护板，则一般取 11501200mm。本次选取 11501200mm。 2.3.1.3 底座长度 所谓底座，就是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件 。在设计支架的底座长度时，应考虑一下几个方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱，液压控制装置，推移装置和其他的辅助装置，便于人员操作和行走，保证支架的稳定性等。通常，掩护式支架的底座长度取 3.5 倍的移架步距，即 2.1 米左右；支撑掩护式支架对底座长度取 4 倍的移架步距，即 2.4米左右。本次设计地作为 2.4 米左右。 2.3.1.4 支护强度 本次设计中支撑掩护式支架的支护强度 q，可用插入法求得，按下式计算： 12 1)( 121 hh hHx Xqqqq （ 2 3） 式中： qx 支架名义支护 强度。（ KN/m2） q1 采高 h1 所对应的支护强度，见表 2 1 q2 采高 h2 所对应的支护强度，见表 2 1 h1 q1 对应的采高（ m）见表 2 1 h2 q2 对应的采高（ m） 见表 2 1 Hx 支架的结构高度，在 h2h1 之间。 对应最大结构采高 Hx=5.25m 时 h1=3m q1=705.6KN/m2 h2=4m q2=862.4 KN/m2 将各数据代入式（ 2 3）得采高最大时支架支护强度 2/4.105834 325.5)6.7054.852(6.705 mKNQm 2.3.2 底座形式的选择 河北工程大学毕业设计 14 支架底座常用形式有 3 种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。 1)整体刚性底座如图 2-7 所示。中档部一般有一高度 50100mm 小箱形结构，中档后部上方为相形结构、推移千斤顶一般安装在相形体之上。整体刚性底座立柱窝前一般要设计一过桥，一提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体刚度和强度好，底座底座接触面积大，有利于减小对底座的 比压，但中档推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，一般用于较软底板条件下工作面。 图 2-7 整体式底座 2）底分式刚性底座如图 2-8 所示，底座底板中分式的中档推移机构直接落在煤层底板上，前立柱柱窝前有过桥，中档后部上方为箱型结构。由于底分式刚性底座中挡板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可以随支架从后端排到采空区，不需要人工清理，适应高产高效要求，但减少了底座接触面积，增大了对地板的比压。 目前高产高效工作面液压支架一般均采用分体刚性底座。 3）如图 2-9 所示，交接分体式底座分为左右相对独立的两个部分，从中档处 铰接，左右底座在垂直方向可以相对错动，无刚性约束。这种底座对地板不平的适应性好，减少了底座的扭转和偏载载荷，但是支架的整体刚性有所降低。波兰支架采用铰接分体式底座较多，我国用的比较少。 根据常用底座的各自特点，本设计选用整体刚性底座。 河北工程大学毕业设计 15 图 2-8 底分式刚性底座 图 2-9 铰接分体底座 河北工程大学毕业设计 16 第 3 章 液压支架的主要部件设计 3.1 采煤机和运输机型号的确定 根据配套尺寸关系，在设计中选用采煤机和运输机型号为： 采煤机： MLS3PH 型 运输机： SGWD-180PH 配套尺寸，配套图的确定 配 套尺寸的确定，由图 3-1 可知 配套尺寸： E=650+377+352=2109 （ 3-1） 液压支架配套关系图，如图 3-1 所示。 图 3-1 液压支架配套关系图 3.2 顶梁的确定 顶梁是与顶板直接接触的构件，除满足一定的刚度和强度要求以外，还要保证支护顶板的需要。 顶梁的作用及用途 顶梁作用是支护顶板一定面积的直接承载部件，并为立柱、掩护梁、护顶装置等提供必要的链接点。 用途； a.用于支撑维护控顶区的顶板。 b.承受顶板的压力。 河北工程大学毕业设计 17 c.将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。 支架常用顶梁形式有三种：整体顶梁、铰接前梁的刚性顶梁和伸缩前探前梁的刚性顶梁。 整体顶梁的结构特点：结构简单、可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大；可以设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少支架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体前端（ 8001000mm），一般取 130。如图 3-2 所示。 图 3-2 整体顶梁 铰接前梁的刚性顶梁，如图 3-3a 所示，该结构顶梁分前后梁并接前梁设有前梁千斤顶，支撑 靠近煤壁处的顶板，同时还可以调整前梁的上下摆角，以适应顶板不平的变化。 伸缩前探梁的刚性顶梁，如图 2-3b 所示，该结构前梁有深深千斤顶使它伸缩，因此及时伸出支护刚暴露的顶板，从而可使顶梁长度减小，也可使用前梁千斤顶和伸缩千斤顶，使用前梁即可伸缩又可以上下摆动。 图 3-3 支撑掩护式顶梁的结构形式 河北工程大学毕业设计 18 1-前梁 2-后梁 3-前梁千斤顶 4-前梁伸缩千斤顶 以上二种顶梁型式比较，本设计选用铰接前梁的刚性顶梁的结构型式。 3.3 对顶梁长度的影响 1）支架工作方式对顶梁长度的影响 支架工作方式对支架顶 梁长度的影响很大，从液压支架的工作原理可以看出，先移架后推溜方式（又称及时支护方式）要求顶梁有较大长度；先推溜后移架方式（又称后支护方式）要求顶梁长度较短。这是因为采用先推溜的工作方式，支架要超前输送机一个步距，以便采煤机过后，支架能及时前移，支控新暴露的顶板，做到及时支护。因此，先移架后推溜时顶梁长度要比先提留后移架时的顶梁长度要长一个步距，一般为 600mm。 配套尺寸对顶梁长度的影响 设备配套尺寸与支架长大衣有直接关系。为了防止当采煤机向支架内倾斜时，采煤机滚筒不载割顶梁，同时考虑到采煤机载割时，不一定 把煤壁载割成一垂直平面，所以在设计时，要求顶梁前端煤壁最小距离为 300mm，这个距离叫空顶距。另外在输送机铲煤版前也留有一定距离。一般为 135150mm，也是为了防止采煤机载割煤壁不齐，给推移输送机留有一定的距离。除此之外，所有配套设备包括采煤机和输送机，均要在顶梁掩护之下工作，在此来计算顶梁长度。 3.4 顶梁主要尺寸的确定 1）定量长度 Lg 顶梁长度【配套尺寸 +底座长度 +A cosQ1】 -【 G cosp1+300+e】 （ 3-2） 式中： 配套尺寸为 2109mm 底座长度为 2400mm P1=540 Q1=790 代入公式（ 3-2）中得 Lg=2109+2400+1515 cos790-2485 cos540-300=3037.4mm 取整数为 3037mm 河北工程大学毕业设计 19 2)定量面积 A A=Lg B （ 3-3) B-顶梁宽度 mm，在本次设计中顶梁宽度为 1500mm. 代入公式（ 3-3）得 A=3037 1500=4.55m2 3)支护面积 FC FC=BC(Lg+ )m2 （ 3-4) 式中： 移架后顶梁前端点到煤壁的距离 m,一般 =0.3 BC 支架间距（支架中心距），一般 1.5m 代入公式（ 3-4）得： FC=1500（ 3037+300） =5.00 m2 支架的理论支护阻力 F1 F1= FC q x （ 3-5） 式中： FC 支护面积 m2 q x 支护强度 KN/m2 支架在最高处的理论支护阻力为： F1=5.00 1058.3=5291（ KN） 5）顶板覆盖率 =A/ FC 100% （ 3-6） 式中： A 顶梁面积 m2 代入公式（ 3-6）得 =4.55/5.00 100%=91% 6）顶梁其它有关尺寸的确定 确定立柱上绞点，前梁千斤 顶、前后梁绞点、掩护梁与顶梁绞点的位置（包括水平方向和垂直方向）尺寸如图 3-4 所示。 河北工程大学毕业设计 20 图 3-4 支架结构尺寸 3.5 掩护梁的结构及参数的确定 3.5.1 掩护梁的作用和用途 掩护梁是支架的掩护构件，它有承受冒落矸石的载荷和顶板通过定量传递的水平载荷引起的弯矩，掩护梁的用途，掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。掩护梁承受对知己的水平作用力及偏载扭矩。掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了至今啊的掩护和挡矸性能。 3.5.2 掩护梁的结构形式 掩 护梁的结构为钢板焊接的箱式结构，在掩护梁上端与顶梁铰接，下部焊有与前、后连杆铰接的耳座。有的指甲在掩护梁上焊有立柱柱窝。活动侧护板装在掩护梁的两侧。从侧面看掩护梁，其形状有直线型、折线型。如图 3-5 所示。 河北工程大学毕业设计 21 图 3-5 掩护梁的结构形式 1-顶梁； 2-掩护梁； 3-立柱； 4-前连杆； 5-后连杆 6-底座； 7-限位千斤顶梁的结构型式 折线型相对直线型支架端面大，结构强度高，但工艺性差。所以很少采用，从掩护梁的宽度方向来分，可分为整体式和对分式两种。对分式结构尺寸小，易于加工、运输和安装，但结构强度差。所以本次设 计采用的式整体式、直线型。 3.5.3 掩护梁的参数确定 1）掩护梁的长度；掩护梁就是两铰点的距离，由前面的四连杆机构可知，掩护梁长大长度为 2485mm。 2）掩护梁宽度 By；本设计掩护梁宽度与顶梁宽度相同，所以掩护梁宽度为1500mm。 3）掩护梁上前后连杆焦点位置；通过比较，可确定前后连杆铰点位置（水平和垂直方向）具体尺寸可以通过图 2-5 中掩护梁部分可知。 3.6 立柱及主要参数的确定 立柱是支架的承压构件，它长期处于高压受力的状态，它除应该具有合理的工作阻力和可靠的工作特殊性外，还必须有足够的抗压、抗 弯强度、良好的密封性能，结构要简单，并能适应支架的工作要求。 3.6.1 立柱布置 1）立柱数；目前国内支撑式支架立柱数为 26 根，常用 4 根；掩护式支架为 2 柱；支撑掩护式支架为 4 柱。 2）支撑方式；支撑式支架立柱为垂直布置。掩护式支架为倾斜布置，这样可克服一部分水平力，并能增大调高范围。一般立足轴线与顶梁的垂线夹角小于河北工程大学毕业设计 22 30 度（支架在最低位置时），由于角度较大，可使调高范围增加。支撑掩护式支架，根据结构要求呈倾斜或垂直布置，一般立柱轴线与顶梁垂线夹角小于 100（支架在最高位置时），由于夹角较小，有效支撑能力较 大。 3）立柱间距；立柱间距是指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为有利于操控、行人和部件合理布置。支撑式和支撑掩护式支架的立柱间距为 11.5m。 4）立柱类型；立柱按动作方式，分为单作用和双作用；结构分类，分为活塞式和活柱式；按伸缩方式分为单伸缩和双伸缩，如图 3-6 所示。 图 3-6 立柱的类型 a-单作用活塞式； b-单作用柱塞式； c-双作用活塞式； d、 e、 f-双伸缩式 3.6.2 立柱主要参数确定 1）立柱缸体内径和活塞外径 a.立柱缸体内径的确定 madd apnFDcos140 （ 3-7） 式中： D 立柱缸体内径 mm F1 支架承受的理论支护阻力 KN nd 每架支架立柱数 pa 安全阀的正压力， pa=40MPa am 立柱最大倾角（度） 代入公式（ 3-7）得 dD = mm2069c o s40414.35291400 查表取整为 200mm 河北工程大学毕业设计 23 2）立柱初支撑力和泵站的额定工 作压力 a.初撑力 bd pDp 104 21 【 KN】 (3-8) 式中： bp 泵站压力 取 35MPa 作为泵站的额定工作压力，考虑到从泵站支架的压力损失，根据一般的经验取 31.5MPa 的泵站乳化液到支架的压力一般为 2425MPa。但对于只考虑支架的设计来说一般都办泵站压力做为计算初撑力的压力。 代入公式（ 3-8）得 KNp 109935104 20014.321 b.立柱工作阻力 ad pDp1042柱【 KN】 （ 3-9） 式中： ap 安全阀调整压力， ap =40MPa， 代入公式（ 3-9）得： KNp 125640*104 20014.32 柱 c）立柱缸体壁厚的计算 支架立柱的壁厚（ mm）一般为 16 D 3.2，即中等壁厚，按下式计算： cpDp )3.2( （ 3-10） 式中： p 缸内工作压力， Mpa； c 考虑管壁公差即侵蚀的附加厚度，一般取 2mm； 强度系数，无缝钢管取 =1； 【 】 缸体材料许用应力， Mpa，缸体选用用 27SiMn，【 】=980MPa； D 立柱缸体内径， cm； 代入相关数据，得： =14.7mm 圆整，取 =20mm 河北工程大学毕业设计 24 3） 立柱强度校核 立柱缸体壁厚强度验算 a）缸体壁厚验算 当D 3.2 时，按中等壁厚缸体公式进行计算： )(3.2 )( c cDp （ 3-11） 式中： 缸体实际最大承压， Mpa。 代入相关数据，得： =210.6 Mpa 安全系数为： bn n （ 3-12） b 缸体材料为 27SiMn 尢缝 钢 管， b =1000MPa n 安全系数，一般取 3.4； 代入相关数据，得 : n=980/210.6=4.56 n b）缸体与缸底焊缝强度验算 缸体与缸底焊缝强度按下公式计算； 12020 )(410dDp Mpa (3-13) 式中： d0 环形焊缝内径， cm； D0 环形焊缝外径， cm； 1 焊缝效率， 1=0.7； p 立柱工作阻力， KN； 代入相关数据，得： =146.7Mpa 焊缝抗拉强度： =539 Mpa n=539/146.7=3.67 n=3.4 3.7 平衡千斤顶位置的确定 掩护式支架中平衡千斤顶的推移力和拉力计算，平衡千斤顶位置应该按如下方法计算确定。 河北工程大学毕业设计 25 3.7.1 平衡千斤顶安装位置的确定原则 为了保护支架工作的可靠性，支架的支撑力分布（包括立柱的支撑力和平衡力千斤顶的推力和拉力等），必须适应顶板载荷分布。当立柱的上、下柱窝位置却定后，就可以根据顶板载荷分布来确定平衡千斤顶的位置，现按两种情 况进行分析。 当顶梁前端出现空顶时，顶梁后端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置后移， 此时平衡千斤顶要受拉力，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶梁后端 0.27 倍顶梁长度出来进行计算。 当顶梁后端出现空顶时，顶梁前端载荷加大，顶板载荷合力作用点位置后移，此时平衡千斤顶受压力，为使支架支撑力分布适应顶板载荷分布，假设合力作用点位置在顶板的定量后端 0.35 倍顶梁长度出来进行计算。 3.7.2 平衡千斤顶在顶梁上位置的确定 取顶梁和掩护梁分为离体（如图 3-7 示） 00M (3-14) 0)()(s i n)(c o s)( 31211321611 61 LxFhhhaPLLLaPhhWF tt 取顶梁为分离体为： 0Ma 0)(co s)(s i n)(co ss i n 112111221728221 WhFLLaPhhaPhhaPLaPxF tts 河北工程大学毕业设计 26 图 3-7 式中 :P8 平衡千斤顶的推力、拉力（推力取“ +”、拉力取“ -”）。 W 顶梁与掩护梁之间的摩擦系数，计算时取 0.3。 1 支架在最高位置时的 立柱倾角 . 2 支架在最高位置时平衡千斤顶的倾角。 为使平衡千斤顶与掩护梁不发生干涉，保证支架在不同高度是平衡千斤顶与掩护梁平行， 1 可以取支架在最高位置时顶梁上平面和掩护梁的夹角。 h7 平衡千斤顶活塞杆铰点至顶梁面之距，当支架降到顶梁和掩护梁成1800 时，为使平衡千斤顶不与掩护梁发生干涉，所以可以按下式进行计算： bbe DBhh 2217（ mm） （ 3-15） 式中 Be 掩护梁厚度（ m） Db 平衡千 斤顶外径（ m） b 平衡千斤顶外径与掩护梁间之间隙，一般取 0.030.05m h1 瞬心点至顶梁和掩护梁铰点之距（ m） L1 立柱柱窝中心至平衡千斤顶上铰点之距（ m） L2 平衡千斤顶上铰点至顶梁和掩护梁铰点之距（ m） X 支护阻力合力作用点位置。 平衡千斤顶在拉力时，取 X=0.27Lg；平衡千斤顶在推力时，取 X=0.35 Lg （ 3-16） 河北工程大学毕业设计 27 式中 Lg 为顶梁长度。 1）平衡千斤顶的行程设计计算 为了 防止平衡千斤顶的耳环或平衡千斤顶本身拉环，对平衡千斤顶的行程有如下要求：当支架在最高位置时，顶梁能下摆 150；支架在最低位置时顶梁能上摆 100，或顶梁和掩护梁近似成 1800。为简化计算，取如下两种情况：假设平衡千斤顶的活塞全部伸出时顶梁和掩护梁成 1800；平衡千斤顶的活塞全部缩回时，支架恰好在最高位置。 2）平衡千斤顶在掩护梁上位置的确定 平衡千斤顶的行程确定后，即可确定它在掩护梁上的位置 2311257 LsbaLLL (3-17) 式中 1 当活塞全部缩回后，缸体上铰点至活塞上部之距。 b1 当活塞杆全部缩回时，活塞杆铰点至活塞腔出油孔中心线之距。 bbeDBL 226 （ 3-18） 通过 L6 和 L7 的计算，平衡千斤顶在掩护梁上的位置就确定了。 河北工程大学毕业设计 28 第 4 章 三维参数化造型设计与装配 随着科技的发展，单一使用二维 CAD 技术进行液压支架设计已不能满足现代设计的需求。在科研人员到各煤矿和生产厂 家进行方案汇报、项目招标的过程中，利用 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 软件建立的支架三维实体模型和运动仿真分析，将支架的每一个部件结构，每一层装配关系，各种运动轨迹都清晰、直观的显示出来，从视觉上带给客户更感性的认识，收到了很好的效果。 现阶段比较有代表性、应用广泛的三维 CAD 软件有：美国 PTC 公司的Pro/ENGNEER Wildfire、 DRC 公司的 i-deas、 SOLIDWORKS 公司的 solidworks、EDS 公司的 solid edge、北航海尔的 caxa。其中 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 是windows 平台下基于特征的参数化造型技术和变量化造型技术的三维实体造型系统，具有杰出的机械装配设计和制图性能，能够方便地与 windows 平台下其它应用软件进行数据转换和链接操作。 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 强大的建模功能可以完成任何复杂的造型设计和装配设计，其工程图模块可以将零件环境、装配环境中生成的各类零件、装配件等实体进行投影，生成符合制图标准的二维工程图，极大地方便了液压支架零部件的设计，因此确定采用 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 软件来进行液压支架三维实体的建模。 4.1 液压支架建模与装配的目的 Mechanism（机构动力学分析）模块是 PRO/E 软件中包含的一个运动分析和仿真模块，该模块即可实现对机构的定义、建立零件之间的连接及装配自由度，对输入轴添加相应的电机驱动产生设计要求的运动，又可以在分析机构运动时观察和记录分析仿真过程的一些测量值，如位置、速度、和加速度等，还可以进行运动干涉检查和运动轨迹显示等。 创建三维模型，不仅仅是为了造型，更多的是为了今后使用方便 如设计的修改和调整、虚拟装配、动力学分析、运动分析等。 一般对于开发性设计来说，造型的近期目标就是为了修改。具体到支架设计，由于每次设计所需要的支护强度个不相同，所以设计的支架模型在完成机构运动学目标后，还要通过强度验算同时确保支架总重量不超过一定数值，因此支架模型只有在通过强度验算合格和总重量不超标的情况下才能正式确定下来。也可以说，在设计时，修改零件模型是必可缺少的。这就要求创建的零件造型结构完整，尺寸和几何约束齐全、正确，河北工程大学毕业设计 29 以便在今后的零件设计过程中，随时可以方便地对不合理的结构做出修改。 要明确零件造型的目的：在不影响零件的基本特征和受力的情况下，某些细小 特征（如较小的圆角和倒角）可以忽略，还可以将有关部件直接绘成一个零件模型，减少模型储存量及缩短模型再生时间，从而提高了工作效率。 要明确装配的目的：装配是运动仿真的基础，装配的好与坏直接影响到运动仿真的进行，只有在模型装配好之后才能进行运动仿真。 4.2 液压支架的三维实体建模 对液压支架整机的三维实体建模一般采用自下向上的方法，即先依据各部件的结构形状和尺寸建立各部件的三维模型，然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系逐个进行组装，最后形成一台完整的机器。很显然，对液压支架各部件的精确建模和正确定义各部件之 间的 装配 关系，是完成液压支架整机建模的关键。在本次设计中主要采用拉伸命令进行建模。 本文将以顶梁的建模过程作为代表。 打开 PRO/E4.0，点击新建按钮出现对话框，设置如图 4-1 所示 ,点击 确定 ，之后选择 mmns_part_solid，点选确定，之后就进入了零件的建模窗口。点击 ，之后点击放置按钮，进入草绘面选择对话框，选择草绘平面，如图 4-2 所示。根据零件尺寸要求一步一步的进行拉伸，零件创建好之后其效果图如图 4-3 所示。 图 4-1 图 4-2 河北工程大学毕业设计 30 图 4-3 顶梁效果图 4.3 液压支架的整机装配 创建好液压支架的所有部件之后，就要开始进行装配。装配前，应正确分析各部件在整机中的位置、作用、以及相关部件之间的装配关系、运动关系，以保证装配后整机定位可靠、运动灵活、互不发生干涉。 装配是在 PRO/E 的组件模块中完成的。由于各部件之间的装配关系不同，PRO/E 提供了不同的装配形式。如果装配件与装配件之间没有相对运动，装配时应选用“放置”选项定义板定义彼此之间的约束关系；否则，在装配时应选用“连接”选项板来定义它们之间的连接关系和约束关系 。在装配过程中，如果按照设定的约束关系并没有使装配件处于“正常的工作位置”，可使用“拖动”选项板上的“平移”、“旋转”等工具对配件进行调整，直至符合要求为止。 在 PRO/E 中，组件模块提供了“匹配”、“对齐”、“插入”和“坐标系”等多种约束类型和“刚性链接”、“销钉链接”、“平面链接”、“球连接”等多种形式，如图 4-4 所示。 河北工程大学毕业设计 31 图 4-4 连接形式与用户自定义 在具体的操作中，正确地选择并使用这些约束类型和连接形式，对能否成功地实现液压支架的虚拟装配与运动仿真至关重要。为此，四个立柱与油 缸两端的销孔与其相关部件上耳座之间一律采用“销联接”，活塞与缸体之间一律采用“滑动杆连接”，顶梁与掩护梁之间，掩护梁与前后连杆之间一律采用“销联接”。一般情况下，采用的链接形式不同，接下来所需定义的约束类型也不同。只有当装配处于完全约束时，被装配件才可能具有确定运动，“链接”才会生效 . 总的来说，装配过程是较为简单的。但是还是要注意几个问题。 1）一般来说，建立一个装配约束时，应选取元件参照和组件参照。元件参照和组件参照分别是元件和装配体中用于约束定位和定向的点、线、面。例如通过对齐（ Align）约束将一根 轴放入装配体的一个孔中，轴的中心线就是元件参照，而孔德中心线就是组件参照。 2）系统一次只添加一个约束。例如不能用一个“对齐”约束将一个零件上两个不同的孔与装配体中的另一个零件上的两个不同的孔对齐，必须定义两个不同的对齐约束。 3）要对一个元件在装配体中完整地指定放置和定向（即完全约束），往往需要定义数个装配约束。 4）正确进行立柱的装配。由于现有的很多软件很难识别立柱窝和立柱缸体河北工程大学毕业设计 32 底部圆球面得配合关系，所以装配过程比较复杂，有时甚至没法装配。有一个解决方法局势将立柱简化成铰点（ joint），这样还有一个优点 就是进行运动分析（ dynamic）和运动学分析（ kinematic）时时比较方便（简化成转动副）立柱与柱窝的装配关系如图 4-5 所示。还有局势立柱以及各部件以及各种千斤顶的活塞和缸体最好装配成部件，然后调入到总装图当中，不要放在总装图中装配。如果在总装图总装配，装配过程将会很复杂。 图 4-5 立柱与柱窝的和装配关系图 5）在 PRO/E 中元件时，可以将多个所需的约束添加到元件上。即使从数学的角度来说，元件的位置已完全约束，还可能需要指定附加约束，一确保装配件达到设计意图。如图 4-6 所示为顶梁装配链接关系图， 用到多个设置，以保证与各部件的定位关系正确。 河北工程大学毕业设计 33 图 4-6 顶梁的装配关系 在装配插板和插板缸时有可能装不上，我们可以先进行“尾梁”、“插板”和“插板缸”的装配 。新建“组建” 取消“缺省” 确定 选择mmns-asm-design，确定之后进入组装模块。点击 ，选取“尾梁”，进入装配界面，选择缺省。如图 4-7 所示 。点击 ，选择“插板”，确定进入组装界面后，选择“滑动杆”连接，其连接关系如图 4-8 所示 ，确定完成 。 河北工程大学毕业设计 34 图 4-7 图 4-8 河北工程大学毕业设计 35 点击 ，选取“插板缸”，进入组装界面，连接形式为用户自定义，连接关系如图 4-9 所示。 图 4-9 总的来说，装配过程是较为简单的 。 需要说明的是，三维建模工具仅仅完成了实体建模的制作，只有和有限元分析软件以及运动学仿真软件结合起应用，才能发挥其最大的价值。如果把三维建模工具仅仅当成项 AutoCAD 软件那样来绘制图形，则没有发挥到其正真的作用。应为三维建模的主要目标在于为虚拟产品提供数据。要形成一个认识：以三维建模设计软件为平台，集成有限元分析软件和运动仿真组成应用系统，才能真正的解决提高产品设计质量 问题。随着计算机技术的发展和软、硬件成本的下降，利用三维建模工具来进行支架设计将会使支架设计水平越来越完善。 液压支架三维建模与装配的效果图如图 4-10 所示。 河北工程大学毕业设计 36 图 4-10 液压支架三维模型 河北工程大学毕业设计 37 第 5 章液压支架的运动仿真 5.1 液压支架运动仿真的一般过程 液压支架的仿真流程如下图 5-7 所示。 图 5-1 仿真流程图 液压支架的运动仿真是成功建立力气装配模型的基础上，通过定义静止部件、运动部件，并在各起始运动件上定义驱动电机、选择连接轴和运动方向、设定运动条件或参数等一系列操作来实现的。 由于液 压支架运动部件均已立柱或油缸为驱动件，活塞杆在油缸中只作往复运动，所以，在建立液压支架的仿真模型时，以底座为静止部件，其他部件均为活动件。将驱动电机放在活塞上，以活塞轴线作为联接轴，然后根据各个活塞杆的行程和运动时间，在“轮廓”面板的“规范”栏中选择“位置”来规范活塞的运动，在“模”栏中选取“表”选项；最后，利用“运动分析”命令定义运动仿真的起始长度和帧数等，即可播放完成的动画。 在组装好装配图后，点选菜单栏中的“应用程序”下拉菜单中的“机构”，进入机构仿真模块。运动仿真的操作步骤如下： 插入伺服电机 选菜 单栏中的“插入”下拉菜单中的“伺服电动机”，弹出伺服电动机定义框，在“类型”中选择从动图元，如图 5-2 所示。 河北工程大学毕业设计 38 图 5-2 在“轮廓”的“规范”中可以定义从动图元的位置、速度、加速度，在“模”中可以定义速度函数。在“图形”中可以选择“位置”、“速度”、“加速度”可以显示运动的效果图。在本次设计中由于电机为分段运动不能使用速度定义，只能选择位置定义，在定义的过程中电机的运动范围是受到限制的，电机的运动模不能超出液压缸的有效运动长度，所以电机的定义采用“表”中的“时间 模 ”的定义方式。 如 5-3 图所示为立柱 电机定义过程。 图 5-3 立柱分析时 电机的定义 2）定义分析 单击机构分析 按钮弹出“分析定义”对话框，在此对话框中科设置总运动馆时间、帧数、帧频等运动参数以及电动机的运动顺序和运动时间。定义时间域的方式又三种： 长度和帧频：输入运行的时间长度和帧频，系统计算总的帧数和运行长度。 河北工程大学毕业设计 39 长度和帧数：输入运行的时间长度和总帧数，系统计算运行的帧频。 帧频和帧数 ；输入总帧数和帧频，系统计算运行时间。 由于本次设计时顺序动作，顺序为：升柱 掩护梁伸出 尾梁伸出 插板伸出 推溜伸出 掩护梁收回 插 板收回 降柱 收回推溜（伸出后推杆） 收回尾梁 收回后推杆。要实现电机的顺序动作是一个非常复杂的过程。在定义电机的过程中，采用了“位置”定义电机方便了“分析定义”中的电机定义。其运动时间段如图 5-4 所示。 图 5-4 电机运动时间段 5.2 仿真结果分析 获取仿真结论是将运动的结果与实际运动进行对比分析，如运动干涉、运动包络等，对出现的问题提出改进方法，实现液压支架的最优化。 在液压支架零、部件装配和运动仿真完成后，就可以利用 PRO/E 对设计的河北工程大学毕业设计 40 实体模型进行干涉检验，包括静态检查和动态检查。静态干涉检 查是指在特定的装配结构形式下，检查装配体各个零件之间的相对位置是否存在零部件之间的运动干涉。直接利用 PRO/E 对设计模型进行分析，重点对装配模型进行全局干涉检验，检验结果直接显示在模型中，同时用数字给出干涉区域的面积。这样对整个支架的装配结构进行干涉检验，可以观察和分析出区域问题，从而进行结构改进设计，将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态，减少试制样机费用和改进时间，并大大缩短机械产品的更新周期。在液压支架运动仿真完成之后，借助于 PRO/E 仿真分析测量还可以测量系统中需要跟踪的参数，如零件的位置、速度、 加速度等，并将其变化趋势通过图表的形式直观的表现出来，假如结果不理想，可以在设计模式下直接修改模型参数，重复仿真分析以达到机构优化的目的。 运动分析 所有电动机后即可进行运动分析，如图 5-5 所示。分析无误后保存分析果，利用“回放”命令可以对已运行的运动分析进行回放，在回放中还可以进行动态干涉检查和制作播放文件。对每个运行的运动定义，系统将单独保存一组运动结果，利用“回放”命令可以将其结果保存在一个文件中，也可以删除、恢复或输出这些结果而后可生成后缀名为 mpg 德演示文件。如图 5-6。具体演示文件见视频。 图 5-5 运动回放 河北工程大学毕业设计 41 图 5-6 视频截图 绘制轨迹曲线 在运动仿真后还要对液压支架的特殊点的运动轨迹进行分析。特殊点有：掩护梁顶点、顶梁、摆杆顶点。 掩护梁的运动轨迹分析 选择绘制曲线命令 ，便可以绘制液压支架的运动曲线。选择“新建”按钮就可以进入选择分析的点，选取掩护梁顶点，选择过程如图 5-7 所示。在“位置”选项框中还可以选择“速度”、“加速度 ”、“连接反作用力”等。在分量中可以选择“ x”、“ y”、“ z”、“模”，本次选择“ x”方向作为代表进行运动分析，“位置 时间”曲线图如 5-8 所示。 图 5-7 河北工程大学毕业设计 42 图 5-8 从曲线中可以看出顶梁前端点开始向负方向运动，在运动一段时间后有一个小段时间的反向运动过程，这是由于顶梁前端点在运动到水平位置后还会继续向上运动一小段的距离，导致在 x 方向上还有一小段的反向运动过程；在掩护梁停止运动时，掩护梁停止在运动极限；在掩护梁反向运动时，同理有个反向运动过程。此过程与液压支架的实际运动过程相符。 掩护梁“轨迹曲线”定义在“插入”中选取。“轨迹曲线”如图 5-9 所示。由于摆杆的存在，掩护梁在 x 方向的运动轨迹比实际的要求弯曲大。 图 5-9 顶梁的运动轨迹分析 定义过程如“掩 护梁的定义过程”，本次选取 y