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液压支架的动态特性分析.doc

毕业设计液压支架动态分析说明书及全套CAD图

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关键词：: 毕业设计液压支架动态分析说明书仿单全套 cad

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摘要

液压支架是地下工程或隧道工程的关键设备之一，它主要用于支护顶板、防止顶板垮落，为施工人员和施工设备提供一个安全可靠的工作空间。

在分析了传统液压支架架型的基础上，通过机构演化，研究了一种新架型——垂直导杆型液压支架；该新型支架不仅结构简单、重量轻和调架容易，而且可极大地改善液压支架的受力状况，提高稳定性，具有广泛的应用前景。

然后，用三维参数化的设计软件Pro/E，完成了垂直导杆型液压支架的三维参数化造型，实现了Pro/E与ADAMS软件之间的模型转换，并利用ADAMS软件对该液压支架进行动态分析，得到了该支架在工作状态下的承受载荷。

本文系统地研究分析垂直导杆型液压支架新架型，并采用现代设计技术和方法进行设计，缩短了液压支架的研发周期，提高了产品质量，降低了成本，对今后的液压支架产品的研究与开发具有指导意义和参考价值。

关键词：液压支架；垂直导杆机构；三维参数化；虚拟样机；动态特性

Abstract

Hydraulic power support used in the underground engineering or tunnel project is one of important equipments, it is mainly used for supporting roof, preventing the roof from collapasion, providing a safe working space for both the workers and the equipments in the underground.

On the analysis of the traditional hydraulic power support types, through the institution evolution, a new frame type--vertical guide bar type hydraulic power support; The new stents not only simple structure, light weight and the frame easy, and can dramatically improve hydraulic power support's stress situation, and improve the stability, and has a broad prospect of application.

Then, use three dimensional parametric design software Pro/E, the completion of the vertical guide bar type hydraulic power support 3D parametric modeling, realize the model transformation from Pro/E to the ADAMS software, and then obtain the dynamic analysis of the hydraulic support in the ADAMS software.

This paper analysis the vertical guide bar type hydraulic support new frame type, and adopts the modern design techniques and methods to carry on the design, shorten the development cycle of hydraulic support, improve the product quality, reduce the cost and for future hydraulic support product research and development with the instruction meaning and reference value.

Keywords: hydraulic power support; vertical guide-bar; three-dimensional parametric; Virtual Prototyping; Dynamic property

摘要I

AbstractII

第一章概述1

1.1 国内外液压支架的研究与应用现状1

1.1.1 国外液压支架研究水平1

1.1.2 国内液压支架研究水平2

1.1.3 国内外液压支架研究与应用中存在的问题3

1.2 本课题的确立及其研究意义3

1.2.1 本课题的确立3

1.2.2 本课题的研究意义4

1.3 本课题的研究内容、关键技术及创新点5

1.3.1 研究内容5

1.3.2 关键技术及创新点5

1.4 本章小结5

第二章垂直导杆型液压支架结构设计6

2.1 典型液压支架架型的分析与比较6

2.1.1 垛式液压支架6

2.1.2 四连杆型液压支架6

2.1.3 单摆杆型液压支架7

2.1.4 垂直导杆型液压支架8

2.2 支架主要结构参数的确定8

2.3 液压支架主体部件结构设计9

2.3.1 底座设计9

2.3.2 顶梁设计15

2.4 本章小结16

第三章垂直导杆型液压支架三维参数化设计17

3.1三维建模软件PRO/E17

3.2液压支架三维实体参数化建模18

3.2.1 建模方法简介18

3.2.2 液压支架各部件的三维建模19

3.2.3 液压支架的整机虚拟装配23

3.3本章小结24

第四章液压支架虚拟样机与仿真25

4.1 虚拟样机技术25

4.2 液压支架力学模型的建立26

4.3 支架虚拟样机模型的建立28

4.4支架样机工况动态仿真32

4.5 液压支架简易有限元分析36

第五章结论38

参考文献39

第一章概述

液压支架是地下工程或隧道工程的关键设备之一，它主要用于支护顶板，防止顶板垮落，为施工人员和施工设备提供一个安全可靠的工作空间。与其他支护设备相比，液压支架具有支护、移架、调架、推溜等多种功能。由于其自动化程度高，工作安全可靠，可极大地降低操作人员的劳动强度、提高生产效率，故在一些大中型地下工程或隧道工程中被广泛使用。然而，随着国家建设的飞速发展，工程施工规模不断扩大、施工进程不断加快、自动化程度也越来越高，而地下岩层的物理性质复杂多变，客观上对液压支架提出了越来越高的要求[1]。为了满足现代地下工程施工要求，多年来，国内外的同行及专家对液压支架的研究从未间断，并不断取得新的研究成果。为此，研制并开发新型的液压支架就具有非常重要的实际意义。

液压支架能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备。由于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，所以它的使用可极大地降低操作人员的劳动强度、提高生产效率和保证生产的安全，故在一些大中型地下工程或隧道工程中被广泛使用。因此液压支架是实现采现代工程机械化和自动化不可缺少的主要设备。

液压支架的设计过程正从传统的平面绘图设计阶段，逐渐的转向现代化的三维设计与虚拟样机设计阶段。在新的设计方法中，三维设计与虚拟样机技术检验设计修改设计变得简单易行，在计算机里做出虚拟的样机，模拟其性能参数，而不需要做出实际的样机。PROE软件和ADAMS正是三维设计和虚拟样机软件的代表。本设计以此展开。

1.1 国内外液压支架的研究与应用现状

1.1.1 国外液压支架研究水平

20世纪80年代以来，世界主要施工机械生产商积极开发和应用新技术，着眼于高性能、高可靠性的新的重型液压支架的研制。国外液压支架的总体发展趋势是：向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距（1.75m、2m）发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，支架的寿命和可靠性大大提高，有些公司要求支架的耐久性试验循环次数达50000次，支架的寿命达14年以上。

液压支架技术的另一重大突破是控制系统[2]。应用电液控制技术，采用电磁控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高。

美国早在1990年就已采用额定压力50MPa、额定流量478L/min的乳化液泵站，以实现液压支架快速推进，移架速度达6～8s/架，使用寿命8～10年，可用率高达95%～98%，支架平均工作阻力6470kN（最大为9800kN)，支架宽度普遍增大，中心距达到1.75m，并向2m发展。增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。澳大利亚使用的液压支架平均工作阻力已达到7640kN[3]。

1.1.2 国内液压支架研究水平

我国从20世纪60年代末70年代初开始液压支架的研制工作，由科研单位和使用单位充分合作，在引进吸收国外先进技术的基础上，一同开发研制，使我国液压支架的设计制造水平有了很大提高。由最初引进单一的垛式支架发展成能生产重型、轻型、大倾角和无人操作等多品种的支架，支架的型式、结构及主要参数更加趋于合理和完善。

目前，国内液压支架正朝着重型、高强、快移和电液控制的方向发展。主要表现为：

（1）液压支架对不同的地质条件表现出良好的适应性，很好地解决了硬顶板、硬底板、软顶板、软底板等难题。

（2）支架的立柱缸径由最初的φ140mm增大到φ360mm，立柱的工作阻力由600kN/柱（p=39MPa）增加到3970kN/柱，立柱的型式由单伸缩加机械加高立柱发展到双伸缩和三伸缩立柱，相应的支架工作阻力也有较大幅度的提高，两柱式支架的工作阻力由最初的2000kN/架增大到现在的6000kN/架，四柱式支架的工作阻力由2800kN/架增大到10000kN/架。

（3）支架的支护高度也有大幅度提高，最高支架的支撑高度达到2.5～5.0m。

（4）以前国内绝大部分支架所用板材为屈服极限强度为350MPa的16Mn钢板，这种板材焊接性能好，但强度低，导致支架较重。国内从20世纪90年代中期开始研究高强度板材的焊接工艺，经过几年的努力，屈服极限强度450MPa和550MPa的钢板焊接工艺已经成熟，在国内液压支架上普遍应用。而屈服极限强度为700MPa的高强钢板焊接工艺也已经解决，并成功应用于部分国产支架。

1.1.3 国内外液压支架研究与应用中存在的问题

近年来由于种种原因，国内外一些研究开发机构大都把研究重心放在了重型、高强、智能化的液压支架上，却忽略了量大面广的轻型液压支架的开发与研制，从而曾一度出现了产品类型与市场需求不相适应的矛盾。目前，工程施工中最常用的几种典型架型主要有：垛式液压支架、四连杆型液压支架、单摆杆型液压支架等，这些都属于比较大型的液压支架。大型液压支架重量大，投入资金多，价格昂贵，一般中小客户经济上难以承受；对于中小型隧道或工作面，大型支架根本运不下去，即使运下去，也难以充分发挥其生产效率。近年来，尽管在一些地方使用了滑移顶梁液压支架或悬移顶梁液压支架，但由于这两种架型均存在着头重脚轻，插底严重，自身稳定性差，移架和调架困难，使用技术不易掌握等问题，致使其实际应用受到很大限制。在这种情况下，研究开发一种安全性高，整体性好，操作方便，适应性强，体积小，重量轻，便于运输安装的轻型液压支架，自然就成了摆在专业人士面前的一个突出的现实问题。

1.2 本课题的确立及其研究意义

1.2.1 本课题的确立

鉴于目前产品市场的实际状况和上述所作的分析判断，为满足中小型地下工程施工的安全支护需要，本文在研究传统液压支架稳定机构型式的基础上，通过机构演化提出了一种最新架型，即垂直导杆型液压支架，如图1-1所示。垂直导杆型液压支架是一款轻型液压支架，该支架在顶梁和底座之间用垂直导向机构连接，滑套固定于底座之上，导杆与顶梁铰接，掩护梁由掩护梁千斤顶控制。垂直导向机构用于支架顶梁升降导向，并承载支架的纵向水平外力。该机构可以根据支架结构设计要求在支架底座对称线上设置1个，

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内容简介：: 毕业设计（论文）任务书姓名：宋静专业：设计（论文）题目：液压支架的动态特性分析设计方案及参数：顶压： 2000KN 架型：垂直导杆型液压支架支架高度： 1.62.4m 支架宽度： 1.2201.270m 设计内容 1、完成液压支架三维参数化实体造型设计液压支架整机及主要部件的结构分析，确定整机及主要部件的设计参数整机及主要零部件的参数化描述完成液压支架主要零部件的三维参数化建模完成液压支架的整机装配与干涉检查 2、完成液压支架的动态特性分析建立液压支架的三维虚拟样机对液压支架的工况进行动态仿真对液压支架主要零部件动态特性进行分析 3、工程图及其他相关零部件的工程图设计说明书外文翻译指导教师系、部主任教学院长 nts 机电学院毕业设计指导书课题名称教学系、部、室专业指导教师 ntsXXXX 大学机电学院毕业设计指导书撰写要求一、设计题目二、设计参数三、设计要求设计要求应尽可能详细、明确、合理且具有一定先进性。主要有 10 个方面的内容。 1 功能性的要求：包括产品的用途、生产能力和工作特性及性能要求等。 2 适应性的要求：是指产品对工况变动的适应能力。应当指明工况变化范围和为此设置的功能装置。 3 可靠性的要求：是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。 4 寿命的要求：是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损件的寿命应尽量设计成倍数关系。 5 效率的要求：即产品工作时输出的量与输入的量之比。 6 经济的要求：包括制造成本和使用的经济性。机械产品的制造成本构成中材料费占有很大的比重，设计时必须给予充分注意。使用的经济性是指产品在单位时间内生产的价值与耗费价值之间的差。 7 人 -机工程学的要求：人 -机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。 8 安全保护和自动报警的要求 9 环境保护的要求 10 包括运输的要求以上要求并非每项都不可缺少，尤其是开发型的设计，一开始很难全部都要求得十分明确，应在设计过程中不断完善。为保证上述主要设计要求而须要特别强调时，应当明确提出，例如：（ 1）强度与刚度的要求。（ 2）制造工艺性的要求。（ 3）工作循环图的要求。（即自动线、自动机设计中特有的要求）（ 4）质量检测的要求。四、设计内容及工作量这里主要指学生要完成的设计内容及工作量。例如： 1 各工程图纸的内容和图幅； 2 各主要结构、部件的计算项目； 3 说明书的主要内容和插图、表格等特殊要求； nts4 需查阅、笔译的文献资料清单； 5 关于应用计算机设计、计算或绘图的要求。五、设计中应遵守的法规设计中涉及各种标准、政策和法令，须要特别指出的，应在任务书中指明。六、已学过的相关理论知识提要以及与设计题目有关的新知识七、可行方案的筛选方法提要八、指导方式和大致的进度安排九、本题目的重点和难点以及与同组其它学生所做题目的关系十、参考资料的使用方法十一、对工程图纸的具体要求十二、答辩之前学生应作的准备工作提要。毕业设计实习（调研）提纲（ 6项内容）一、实习（调研）目的。二、实习（调研）地点。三、实习（调研）内容。包括须仔细观察的内容、记录内容、草图描绘内容等。四、实习（调研）要求。五、实习（调研）报告。包括撰写规范、格式要求等。六、实习（调研）注意事项。包括安全事项和组织纪律。 nts 机电学院毕业实习指导书课题名称教学系、部、室专业指导教师 nts毕业实习指导书的内容根据毕业实习大纲要求编写，毕业实习报告按统一格式打印。 nts 机电学院毕业设计指导书课题名称液压支架三维 CAD 系统教学系、部、室专业指导教师 XXXX 大学机电学院毕业设计指导书 nts 一、设计题目液压支架三维 CAD 系统下设三个子课题： 1.液压支架三维 CAD 系统的开发 2.液压支架三维模型库的建立 3.液压支架的动态特性分析二、设计参数 1.原始条件：顶压： 2000KN 煤层厚度： 25m 煤层倾角： 8 顶板性能：中等稳定、平整底板性能：中硬瓦斯含量不大 2.主要技术特征：架型：支撑掩护式放顶煤液压支架放煤形式：双输送机、插板式支架高度： 1.62.4m 支架宽度： 1.2201.270m 中心距： 1.250m 初撑力（ 31.4MPa）： 1540KN 工作阻力（ 40.74MPa）： 2000KN 支护强度： 0.510.62MPa 底板比压： 1.6MPa 立柱型式：单伸缩立柱缸径 /活柱直径 125mm/105mm 3.系统设计目标：三维参数化建模：根据选定的液压支架架型，完成液压支架的三维参数化实体建模，实现液压支架的整机装配（此为公共模块）。三维参数化 CAD：由用户输入基本设计参数，系统能自动生成液压支架的三维参数化实体构件模型和整机模型。三维模型库的建立：建立液压支架的三维模型库，能实现液压支架三维模型的存储、查询、浏览、删除等管理功能。液压支架的动态特性分析：建立液压支架的虚拟样机，并对样机施加工作载荷，对液压支架的动态特性进行仿真和分析。三、设计要求液压支架是目前我国井下采煤工作面使用最多的支护设备。它以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成，能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，并与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组成回采面的综合机械化设备。因此，要求液压支架在工作时，支护性能好、强度高、移架迅速、安全可靠，以提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的劳动强度、实现安全生产。三维参数化建模：根据选定的架型和三维参数化设计软件，在液压支架结构设计nts 的基础上，实现液压支架相关零部件结构尺寸的标准化、系列化，并进行参数化描述，建立起各结构要素之间的约束关系和各零部件之间的关联关系，实现液压支架各零部件的三维参数化建模和整机装配，要求结构合理，尺寸准确，无任何干涉现象。三维参数化 CAD：利用 VC+ 2005 语言和 Pro/Toolkit 工具包，对 Pro/E 野火版4.0 进行二次开发，创建友好的人机界面，调用 Pro/Toolkit 的底层函数，建立液压支架的三维 CAD 系统。届时，由用户输入液压支架的基本设计参数，即可自动生成液压支架的三维参数化模型。要求：界面友好、操作简单、使用方便，能极大地降低设计难度，提高设计效率。三维模型库的建立：在完成模型库结构设计的基础上，利用 SQL Server 2005语言开发三维液压支架模型库，对已建立的液压支架三维模型实现存取、查询、浏览、编辑、维护等管理工作，以实现设计数据的最大继承和重复利用，避免重复设计。要求模型库：功能齐全、结构合理，高效存取、操作简便。液压支架的动态特性分析：在三维参数化建模的基础上，利用 ADAMS 软件建立液压支架的虚拟样机，并对样机施加工作载荷，实现液压支架工作状况下的应力、应变进行仿真，对液压支架的动态特性进行分析。要求：方法科学、数据可靠、分析合理，与实际情况基本一致。四、设计内容及工作量 1.将先进的设计理念、先进的设计技术和手段，应用于支撑掩护式放顶煤液压支架之产品设计中，完成 “ 液压支架三维 CAD 系统 ” 的开发。 2.技术关键：产品构件的参数化描述及自动化编程技术 Pro/E 二次开发技术及用户接口技术虚拟设计方法与技术有限元网格划分与有限元分析 1.具体设计任务完成三维 CAD 系统的总体方案的论证及设计总体开发平台的选择；开发工具及语言的选择；接口的选择；软件总体结构的设计（菜单结构设计）。完成液压支架三维参数化建模液压支架整机及主要部件的结构分析，确定整机及主要部件的设计参数；整机及主要零部件结构尺寸的标准化、系列化，并进行参数化描述；完成液压支架主要零部件的三维参数化建模；完成液压支架的整机装配与干涉检查。完成液压支架主要零部件的三维 CAD 主要零部件（顶梁、尾梁、插板、底座、推杆、立柱、护帮等）的程序设计；相关菜单、对话框、按钮的程序设计；数据接口的设计；安装与注册程序的设计。完成液压支架三维模型库的建立三维模型库的结构设计；三维模型库的功能设计与实现；相关菜单、对话框、按钮的程序设计；数据接口的设计。完成液压支架的动态特性分析建立液压支架的三维虚拟样机； nts 对液压支架的工况进行动态仿真；对液压支架主要零部件的应力、应变，以及动态特性进行分析。每个参加设计的学生还必须完成以下任务：工程绘图量不少于折合成图幅为 A0 号的图纸 3 张（其中手工绘图不少于 1 张）。完成计算机辅助设计或计算机辅助计算的程序 1 份。完成与课题有关的 2 万印刷字符的外文资料翻译，约 5000 个汉字，外文翻译单独装订，不得与设计说明书装订在一起。完成设计说明书 1 份（正文字数不少于 2 万字，约 40 页以上）、设计光盘 1 张。参阅相关文献 20 篇以上，其中外文不少于 3 篇。推荐参考书籍清单 1张继春、杨建国著装配设计与运动仿真及 Pro/E 实现国防工业出版社 2006.1 2云杰媒体工作室编著 Pro/ENGINEER Wildfire 装配设计北京大学出版社 2004.12 3宁松、黄小龙、段大高等编著计算机辅助设计 Pro/ENGINEER Wildfire 实用教程中国水利水电出版社 2005.6 4马希青等主编机械制图机械工业出版社 2010.7 5吴相宪、王正为、黄玉堂主编实用机械设计手册中国矿业大学出版社 1993.5 6孙训方、方孝淑、关来泰编材料力学高等教育出版社 1995.4 7杨振复、罗恩波主编放顶煤开采技术与放顶煤液压支架煤炭工业出版社 1995.7 8机械工程手册编辑委员会编机械工程手册机械工业出版社 1982.3 9中国机械设计大典编委会编中国机械设计大典江西科学技术出版社 2002.1 10中国焊接学会编焊接手册机械工业出版社 1992.3 11张家鉴、陈享文、伊长德编液压支架煤炭工业出版社 1985.10 12丁绍南编著采煤工作面液压支架设计世界图书出版公司 1992.4 13王国法等著液压支架技术煤炭工业出版社 1999.9 14吴立军陈波编著 Pro/ENGINEER 二次开发技术基础电子工业出版社 2006.7 15李世国编著 Pro/TOOLKIT 程序设计机械工业出版社 2003.7 16严子翔编著 VRML 虚拟现实网页语言清华大学出版社 2001.8 17张武军等编著 VRML 虚拟现实技术基础与实践教程冶金工业出版社 2008.9 18其他五、设计中应遵守的法规 1 推荐使用国产正版设计软件和开发平台；保护国家知识产权。 2 保证设计资料的绝对安全，不泄露企业和相关单位的技术机密。 3所有图纸都必须满足国家制图标准。 4其他要求。六、已学过的相关理论知识提要以及与设计题目有关的新知识机械制图、机械设计基础、煤矿机械、计算机文化基础、计算机绘图、 VC+程序设计，实体设计等相关课程。 CAXA 电子图版 2007、 Auto CAD2004、 Pro/ENGINEER 野火版 4.0、 VC+2005、Pro/Toolkit 工具包、 SQL Server 2005 数据库、 ADAMS 等软件。七、可行方案的筛选方法提要 1.概念设计一个产品的设计，首先应该考虑的是要实现什么功能和怎样更好地实现所需的功能，然后才是如何使产品具有优良的性能。概念设计要解决的主要问题，是找到实现产品功能要求的原理方案，为后续的设计工作寻求理论支持。概念设计又称“构思”设计，其重点正是在于提出创新构思。设计者应从实现产品nts 功能的根本目标出发，寻求基于各种原理的创新方案。概念设计对产品设计的成败起到决定性的作用，因此，必须广泛收集信息资料，充分利用已有的研究成果，积极构思、大胆尝试、勇于创新。 2.可行性分析需求分析的目的是提供调查研究和分析，这包括技术性分析、经济分析和社会分析，从而得出产品开发的可行性研究成果。可行性报告的主要内容有：从市场需求预测出发，论述该设计项目的必要性；该产品目前国内外研究应用现状及水平；产品的功能需求、技术规格、性能参数和约束条件；该产品的关键技术、解决的途径和技术路线；预期达到的技术、经济、社会效益；预期投资资金和项目进度计划。 3功能分解将系统的总功能分解为一系列的子功能，而子功能可再分解，直至成为最小的功能元。总功能是分层、逐次分解的。各子功能之间的结构关系有并联、串联和环形结构三种情况。 4子功能求解与综合选优一般来说，子功能、尤其是元功能的求解已是现成的成熟技术。所以，主要的问题不是子功能的求解，而是多方案子功能的综合问题。为此，需在功能分解的基础上，建立功能结构图，明确各子功能结构，提出实现各子功能的各种可能性，并通过对各种可能进行的组合来构成满足总功能的最终解。八、指导方式和大致的进度安排 1指导方式学生在设计期间，必须独立完成教师指定的设计任务。教师在指导毕业设计期间，实行制度管理、过程管理、规范管理。 2进度安排熟悉课题、总体方案的论证 0.5 周液压支架的结构分析和参数化描述 1.0 周液压支架三维参数化建模 1.5 周各模块设计与开发 3.5 周系统调试与集成 2.5 周工程图绘制 1.0 周外文翻译 0.5 周撰写设计说明书 1.0 周设计说明书评阅（学生准备答辩） 0.5 周毕业答辩 1.0 周共计 16 周（含 3 周毕业实习）九、本题目的重点和难点以及与同组其它学生所做题目的关系 1重点及难点三维参数化建模与整机装配；三维 CAD 系统的开发；三维模型库的建立；液压支架的虚拟样机与动态特性分析。 2 与同组其他学生所做题目的关系本题目需要 7 名学生完成。所有学生均参与总体方案的论证与设计，均参与三维参nts 数化建模。本课题共分三个子课题，每个子课题又分为 2-3 个不同的模块；每名学生都将承担其中的一个公共模块和一个独立模块的设计；每名学生都将完成不同的工程图和外文翻译等。但每名学生之间又有非常密切地联系，共同完成整个设计题目。十、参考资料的使用方法 1在图书馆“工程技术类”书库借阅相关书籍（可先利用计算机检索）。 2在图书馆“现刊”和“过刊”查看相关论文及外文资料。 3在互联网上的数字图书馆中，利用作者名称、关键词等进行检索和下载。 4利用已获得的相关参考资料后面列出的“参考文献”，进一步获得相关资料。十一、对工程图纸的具体要求要求图纸中必须有图框、标题栏、技术要求等内容，标题栏中必须填写学生姓名、绘图比例、零件材料、日期、学校及班级名称等；图纸中字体为仿宋体、字迹要工整、大小要适中，尺寸要准确，线型要正确，图形要清晰，各种符号要规范、图面要整洁、表达方法要合理。计算机绘图软件，应使用 Auto CAD2004 或 CAXA 电子图板 2007 及其以上版本。十二、答辩之前学生应做的准备工作提要。一是事先拟好提纲，以便在规定的时间内清晰、准确、层次分明地把自己的设计内容和创造性成果充分表达出来。答辩提纲的内容及顺序如下：设计题目及指导教师所完成的主要工作及工作量国内外的发展概况题目要解决的问题，解决该问题的思路、方法和手段主要技术指标及总体方案的确定所进行的主要设计计算或理论推导结论和成果、创新之处本设计存在的不足之处或尚需进一步改进的问题致谢二是针对回答问题的准备。设计的可实现性，即所做设计在现实中是否可行；设计的指导思想和方法以及结构和工艺设计的合理性；计算与验证的方法和依据；与本设计有关的基础知识、基本概念以及重点、难点和疑点等；图纸的质量及其正确性。三是模拟答辩。通过模拟答辩，发现问题、及时弥补。四是要高度重视、认真对待，答辩时要沉着应对、临阵不乱，谦虚谨慎、实事求是。nts 机电学院毕业实习指导书课题名称液压支架三维 CAD 系统教学系、部、室专业指导教师 nts 毕业实习指导书 1带领学生认真学习实习大纲，明确实习目的、实习计划、实习任务和实习要求。 2 向学生宣布实习的时间、集合地点、行动路线、目的地，以及食宿等问题，宣读学校和实习单位的有关规章制度和实习期间的其他注意事项。 3请企业和实习单位的工程技术人员上课，介绍机械设备在生产过程中的作用和使用情况，介绍设备的使用操作规程，听取工程技术人员对设备进行改造和改进的意见和建议。 4 在实习单位工程技术人员的安排下，仔细阅读有关的图纸和资料。 5在实习单位工程技术人员的带领下，对实习单位的相关生产车间、技术科室、管理部门进行参观，熟悉设备的规划、设计、安装、运行和检修等的基本内容。在尽可能的情况下，请现场工作人员进行实际操作演示，或由学生实际操作。 6 由学生提出问题，请现场工作人员予以解答。 7由学生整理实习笔记，并进行归纳总结，按要求写出实习报告。 8根据学生在实习中的表现（包括态度、出勤，纪律等）及实习报告的质量等情况，对学生实习进行综合评定，按二级制（通过、不通过）给出实习成绩。 9实习结束。 nts 毕业设计实习（调研）提纲一、实习（调研）目的毕业实习是教学过程中的一个重要的实践环节，是全面贯彻党的教育方针，培养德、智、体、美、劳全面发展人才的一项重要措施。通过实习，使学生更进一步了解社会、接触生产实际、开阔视野、增长见识，获得实际生产技能和现代生产管理知识，提高分析问题和解决问题的能力，为后续的毕业设计做好充分的技术准备。因此，毕业实习对学生强化劳动就业观念、树立科技创新意识、理论联系实际具有重要意义，对提高教育教学质量具有重要作用。毕业实习是学生在校期间学完本专业的全部课程之后、毕业设计之前进行的一次较深入的现场专业实习，对随后的毕业设计影响巨大，因此，必须搞好这一教学环节，防止搞形式、走过场。毕业实习的目的和任务是： 1.理论联系实际。参加实习的学生，必须认真学习、研究实习现场的生产、技术及管理情况，虚心向生产第一线的工人师傅和工程技术人员请教，结合自己所学的专业知识，积极发现问题，并能解决问题，提高自己的专业技能和业务素质。 2.接受思想道德教育。学生在参加实习期间，必须态度端正，认真学习和借鉴现场工程技术人员的先进的设计思想和丰富的工作经验，学习他们扎实的工作作风、高尚的职业道德，学习他们集体协作、艰苦创业、无私奉献的精神，强化劳动就业观念、树立科技创新意识，作“四有”新人。 3.深入调查研究。要不辞辛苦，深入生产第一线，广泛开展调查研究，结合研究课题，搜集和整理所需的各种文献资料，初步酝酿和考虑设计方案。在实习前，要发动学生认真学习、积极准备，明确大纲规定的任务、目的和要求。在整个实习过程中，要进行生产安全教育，牢固树立安全第一的思想；要充分发挥学生的主观能动性，激发他们的工作热情，培养他们的独立思考、独立钻研、独立工作的能力。要与现场的工作人员建立良好的协作关系，求得他们的支持、帮助和指导，保证学生按时、按质、按量完成毕业实习任务。二、实习（调研）地点 1实习地点：峰峰液压支架厂、邯郸矿务局机修厂、校内实验室 2实习时间：为期 3 周三、实习（调研）内容 1.实习内容了解液压支架在现场的应用现状和当前技术研究与应用现状。掌握液压支架的结构、工作原理。获得液压支架的主要性能参数指标。了解液压支架零部件的材料、主要加工方法、技术要求及装配工艺。了解液压支架目前在设计、使用中所存在的主要问题，提出改进设想。 2.调研与搜集资料了解当前 CAD/CAM 的研究及应用水平，了解其今后的发展方向。了解当前 PRO/E 的二次开发水平及数据库管理的应用情况。搜集相关的技术论文、专题报告、经验总结等技术资料。搜集相关的图纸、设计说明书、使用说明书、操作规程等技术资料。四、实习（调研）要求 1学生实习期间，要做有心人，要注意做好实习笔记，要注意收集和积累各种信nts 息资料，要及时进行整理、归纳和总结，圆满完成规定的毕业实习任务，为从事毕业设计打好基础。 2学生在实习结束后的三天内，应写出书面实习报告。 3实习带队教师应在实习结束后的一周内，根据每个实习学生的实际表现、实习报告等情况，实事求是地评定出学生成绩，并上报存档。 4学生实习期间，必须积极参加实习队安排的各项活动，要认真学习，虚心求教，要理论联系实际，要大胆思考问题、积极解决问题，要注意培养自己的素质和能力。五、实习（调研）报告实习报告是检查和考核学生毕业实习效果的重要手段和方法，实习学生必须认真完成。实习报告要求字迹清晰，叙述清楚，语言简练。实习报告的内容及撰写要求 : 提出设计思路 (前言 )；调查实习对象简介；涉及题目的现实情况及图纸资料的摘编；阅读文献资料的摘录与心得；对实习对象的合理性、先进性、经济性等方面的分析论证意见；结论（设计方案的提出与分析）。其撰写格式见附表。六、实习（调研）注意事项 1学生实习期间，要注意团结合作、互助友爱，要爱护公物、文明实习。 2学生实习期间，必须严格遵纪守法，遵守社会道德规范，遵守交通秩序，遵守生产单位的各项规章制度，不做有损学校和集体荣誉的事情。 3学生实习期间，必须按照实习单位的规定进行着装和佩带安全帽，高度注意现场设立或张贴的安全警示牌。牢固树立安全第一的思想，一切行动听指挥，严格遵守操作规程，未经允许，绝对不准触摸或摆弄现场的各种设备和器械。 4学生实习期间，要严格执行请假制度，做到有事向带队教师请假，要按时上下班，不准无故迟到、早退或矿工。 5要注意防水、防电、防火，时刻注意生产安全和人身安全，出现险情要及时撤离现场并报告或报警。必要时应当协助专业人员从事灭灾和营救工作。以上各条款如有违背，轻者，将给予严肃的批评教育；重者，当严格按照校规校纪进行处理。 nts键入文字 I 摘要液压支架是地下工程或隧道工程的关键设备之一，它主要用于支护顶板、防止顶板垮落，为施工人员和施工设备提供一个安全可靠的工作空间。在分析了传统液压支架架型的基础上，通过机构演化，研究了一种新架型垂直导杆型液压支架；该新型支架不仅结构简单、重量轻和调架容易，而且可极大地改善液压支架的受力状况，提高稳定性，具有广泛的应用前景。然后，用三维参数化的设计软件 Pro/E，完成了垂直导杆型液压支架的三维参数化造型，实现了 Pro/E 与 ADAMS 软件之间的模型转换，并利用 ADAMS 软件对该液压支架进行动态分析，得到了该支架在工作状态下的承受载荷。本文系统地研究分析垂直导杆型液压支架新架型，并采用现代设计技术和方法进行设计，缩短了液压支架的研发周期，提高了产品质量，降低了成本，对今后的液压支架产品的研究与开发具有指导意义和参考价值。关键词：液压支架；垂直导杆机构；三维参数化；虚拟样机；动态特性 nts II Abstract Hydraulic power support used in the underground engineering or tunnel project is one of important equipments, it is mainly used for supporting roof, preventing the roof from collapasion, providing a safe working space for both the workers and the equipments in the underground. On the analysis of the traditional hydraulic power support types, through the institution evolution, a new frame type-vertical guide bar type hydraulic power support; The new stents not only simple structure, light weight and the frame easy, and can dramatically improve hydraulic power supports stress situation, and improve the stability, and has a broad prospect of application. Then, use three dimensional parametric design software Pro/E, the completion of the vertical guide bar type hydraulic power support 3D parametric modeling, realize the model transformation from Pro/E to the ADAMS software, and then obtain the dynamic analysis of the hydraulic support in the ADAMS software. This paper analysis the vertical guide bar type hydraulic support new frame type, and adopts the modern design techniques and methods to carry on the design, shorten the development cycle of hydraulic support, improve the product quality, reduce the cost and for future hydraulic support product research and development with the instruction meaning and reference value. Keywords: hydraulic power support; vertical guide-bar; three-dimensional parametric; Virtual Prototyping; Dynamic propertynts I 目录摘要 . I Abstract . II 第一章概述 . 1 1.1 国内外液压支架的研究与应用现状 . 1 1.1.1 国外液压支架研究水平 . 1 1.1.2 国内液压支架研究水平 . 2 1.1.3 国内外液压支架研究与应用中存在的问题 . 3 1.2 本课题的确立及其研究意义 . 3 1.2.1 本课题的确立 . 3 1.2.2 本课题的研究意义 . 4 1.3 本课题的研究内容、关键技术及创新点 . 5 1.3.1 研究内容 . 5 1.3.2 关键技术及创新点 . 5 1.4 本章小结 . 6 第二章垂直导杆型液压支架结构设计 . 7 2.1 典型液压支架架型的分析与比较 . 7 2.1.1 垛式液压支架 . 7 2.1.2 四连杆型液压支架 . 7 2.1.3 单摆杆型液压支架 . 8 2.1.4 垂直导杆型液压支架 . 9 2.2 支架主要结构参数的确定 . 9 2.3 液压支架主体部件结构设计 . 10 2.3.1 底座设计 . 10 2.3.2 顶梁设计 . 16 2.4 本章小结 . 17 第三章垂直导杆型液压支架三维参数化设计 . 18 3.1 三维建模软件 PRO/E . 18 3.2 液压支架三维实体参数化建模 . 19 3.2.1 建模方法简介 . 19 3.2.2 液压支架各部件的三维建模 . 20 3.2.3 液压支架的整机虚拟装配 . 23 3.3 本章小结 . 25 第四章液压支架虚拟样机与仿真 . 26 nts II 4.1 虚拟样机技术 . 26 4.2 液压支架力学模型的建立 . 27 4.3 支架虚拟样机模型的建立 . 28 4.4 支架样机工况动态仿真 . 32 4.5 液压支架简易有限元分析 . 35 第五章结论 . 38 参考文献 . 39 nts河北工程大学毕业设计 1 第一章概述液压支架是地下工程或隧道工程的关键设备之一，它主要用于支护顶板，防止顶板垮落，为施工人员和施工设备提供一个安全可靠的工作空间。与其他支护设备相比，液压支架具有支护、移架、调架、推溜等多种功能。由于其自动化程度高，工作安全可靠，可极大地降低操作人员的劳动强度、提高生产效率，故在一些大中型地下工程或隧道工程中被广泛使用。然而，随着国家建设的飞速发展，工程施工规模不断扩大、施工进程不断加快、自动化程度也越来越高，而地下岩层的物理性质复杂多变，客观上对液压支架提出了越来越高的要求 1。为了满足现代地下工程施工要求，多年来，国内外的同行及专家对液压支架的研究从未间断，并不断取得新的研究成果。为此，研制并开发新型的液压支架就具有非常重要的实际意义。液压支架能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序，与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备。由于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，所以它的使用可极大地降低操作人员的劳动强度、提高生产效率和保证生产的安全，故在一些大中型地下工程或隧道工程中被广泛使用。因此液压支架是实现采现代工程机械化和自动化不可缺少的主要设备。液压支架的设计过程正从传统的平面绘图设计阶段，逐渐的转向现代化的三维设计与虚拟样机设计阶段。在新的设计方法中，三维设计与虚拟样机技术检验设计修改设计变得简单易行，在计算机里做出虚拟的样机，模拟其性能参数，而不需要做出实际的样机。 PROE软件和 ADAMS 正是三维设计和虚拟样机软件的代表。本设计以此展开。 1.1 国内外液压支架的研究与应用现状 1.1.1 国外液压支架研究水平 20 世纪 80 年代以来，世界主要施工机械生产商积极开发和应用新技术，着眼nts河北工程大学毕业设计 2 于高性能、高可靠性的新的重型液压支架的研制。国外液压支架的总体发展趋势是：向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距（ 1.75m、 2m）发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，支架的寿命和可靠性大大提高，有些公司要求支架的耐久性试验循环次数达 50000 次，支架的寿命达 14 年以上。液压支架技术的另一重大突破是控制系统 2。应用电液控制技术，采用电磁控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高。美国早在 1990 年就已采用额定压力 50MPa、额定流量 478L/min 的乳化液泵站，以实现液压支架快速推进，移架速度达 6 8s/架，使用寿命 8 10 年，可用率高达 95% 98%，支架平均工作阻力 6470kN（最大为 9800kN)，支架宽度普遍增大，中心距达到 1.75m，并向 2m 发展。增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。澳大利亚使用的液压支架平均工作阻力已达到 7640kN3。 1.1.2 国内液压支架研究水平我国从 20 世纪 60 年代末 70 年代初开始液压支架的研制工作，由科研单位和使用单位充分合作，在引进吸收国外先进技术的基础上，一同开发研制，使我国液压支架的设计制造水平有了很大提高。由最初引进单一的垛式支架发展成能生产重型、轻型、大倾角和无人操作等多品种的支架，支架的型式、结构及主要参数更加趋于合理和完善。目前，国内液压支架正朝着重型、高强、快移和电液控制的方向发展。主要表现为：（ 1）液压支架对不同的地质条件表现出良好的适应性，很好地解决了硬顶板、硬底板、软顶板、软底板等难题。（ 2）支架的立柱缸径由最初的 140mm 增大到 360mm，立柱的工作阻力由600kN/柱（ p=39MPa）增加到 3970kN/柱，立柱的型式由单伸缩加机械加高立柱发展到双伸缩和三伸缩立柱，相应的支架工作阻力也有较大幅度的提高，两柱式支架的工作阻力由最初的 2000kN/架增大到现在的 6000kN/架，四柱式支架的工作阻力由 2800kN/架增大到 10000kN/架。 nts河北工程大学毕业设计 3 （ 3）支架的支护高度也有大幅度提高，最高支架的支撑高度达到 2.5 5.0m。（ 4）以前国内绝大部分支架所用板材为屈服极限强度为 350MPa 的 16Mn 钢板，这种板材焊接性能好，但强度低，导致支架较重。国内从 20 世纪 90 年代中期开始研究高强度板材的焊接工艺，经过几年的努力，屈服极限强度 450MPa 和550MPa 的钢板焊接工艺已经成熟，在国内液压支架上普遍应用。而屈服极限强度为 700MPa 的高强钢板焊接工艺也已经解决，并成功应用于部分国产支架。 1.1.3 国内外液压支架研究与应用中存在的问题近年来由于种种原因，国内外一些研究开发机构大都把研究重心放在了重型、高强、智能化的液压支架上，却忽略了量大面广的轻型液压支架的开发与研制，从而曾一度出现了产品类型与市场需求不相适应的矛盾。目前，工程施工中最常用的几种典型架型主要有：垛式液压支架、四连杆型液压支架、单摆杆型液压支架等，这些都属于比较大型的液压支架。大型液压支架重量大，投入资金多，价格昂贵，一般中小客户经济上难以承受；对于中小型隧道或工作面，大型支架根本运不下去，即使运下去，也难以充分发挥其生产效率。近年来，尽管在一些地方使用了滑移顶梁液压支架或悬移顶梁液压支架，但由于这两种架型均存在着头重脚轻，插底严重，自身稳定性差，移架和调架困难，使用技术不易掌握等问题，致使其实际应用受到很大限制。在这种情况下，研究开发一种安全性高，整体性好，操作方便，适应性强，体积小，重量轻，便于运输安装的轻型液压支架，自然就成了摆在专业人士面前的一个突出的现实问题。 1.2 本课题的确立及其研究意义 1.2.1 本课题的确立鉴于目前产品市场的实际状况和上述所作的分析判断，为满足中小型地下工程施工的安全支护需要，本文在研究传统液压支架稳定机构型式的基础上，通过机构演化提出了一种最新架型，即垂直导杆型液压支架，如图 1-1 所示。垂直导杆型液压支架是一款轻型液压支架，该支架在顶梁和底座之间用垂直导向机构连接，滑套固定于底座之上，导杆与顶梁铰接，掩护梁由掩护梁千斤顶控制。垂直导向机构用于支架顶梁升降导向，并承载支架的纵向水平外力。该机构可以根据支架结构设计要求在支架底座对称线上设置 1 个，也可在支架底座上并排对称设置 2nts河北工程大学毕业设计 4 个。该支架具有受力合理、结构简单和重量轻的特点，这对于提高我国中小地下工程支护水平和开采能力是非常有益的。图 1-1 垂直导杆型液压支架众所周知，由于液压支架的工作环境十分恶劣、所处的地质条件又相当复杂，因此，液压支架的研究和开发在很大程度上都不同于其他机械产品。传统的液压支架设计方法是首先进行概念设计和方案论证，然后进行产品设计；为了验证设计的正确性和准确性，往往需要根据设计结果制作出产品样机进行试验，这些试验是破坏性的，其试验成本很高。实际上，只经过一次试验即获得产品成功的可能性很小，而经常需要经过反复数次试验，即当试验没有通过时，则必须修改设计并再制作样机重新进行验证，直至产品达到要求的性能为止。显然，这一过程不仅周期长、效果差、方法落后，而且研发成本高、市场应变能力差，根本无法适应现代产品设计与开发的需要。在这种形势下，采用全新的设计理念和先进的技术方法对垂直导杆型液压支架进行设计，是本课题的必然选择。而由美国 PTC公司开发的 Pro/Engineer三维参数化实体设计软件和 MSC公司开发的 ADAMS软件，易学易用、功能强大，为实现这一要求创造了良好的技术条件。在本课题中，采用 Pro/E 软件进行自底向上建模，实现该支架的三维参数化造型。运用虚拟样机软件 ADMAS 对所设计的液压支架在各种工况下进行动态特性分析，从而对支架结构的强度进行全面考查。根据计算得到的结构上各处应力的分布情况，结合我国液压支架通用技术条件，判断所设计液压支架的可靠性和经济性，在此基础上进行结构改进或优化，控制支架整体结构及其零部件的强度，减轻支架重量，提高其制作经济性。 1.2.2 本课题的研究意义 nts河北工程大学毕业设计 5 本课题的研究意义，集中表现在以下两个方面：垂直导杆型液压支架，作为一种崭新的架型，完全突破了以往支架的机构型式，即设计了垂直导杆稳定机构和无活动侧护板顶梁。该支架不仅由于无活动侧护板，致使支架的体积小、重量轻、结构简单，特别适用于中小型地下工程施工，而且由于垂直导杆机构的作用消除了工作过程中顶梁与顶板之间的摩擦力，改善了液压支架的受力状况，从而提高了其整机稳定性。新型液压支架具有较广阔的发展与应用前景。本课题采用全新的设计理念和先进的设计技术，突破传统液压支架设计模式，在整个设计过程中，所有设计对象均显示为三维立体效果，容易激发设计者的创新思维和创新设计；由于采用了参数化设计 PROE软件以及虚拟样机软件 ADAMS软件，所以对建立的产品模型进行修改非常容易和快捷；从零部件设计到整机组装，从整机的运动仿真到整机动态特性，全部在计算机上完成，这样不仅可提高产品的可靠性，而且可以降低成本，提高产品的设计效率，缩短开发周期，为以后的液压支架产品设计提供一种先进的设计方式和技术途径，同时对其他机械产品开发也具有参考价值。 1.3 本课题的研究内容、关键技术及创新点 1.3.1 研究内容对液压支架稳定机构进行分析研究，提出并完成垂直导杆型液压支架的设计；采用自底向上的建模方法，用 Pro/E 软件实现该支架的三维参数化造型及虚拟装配；建立运动学分析模型，利用 ADAMS 软件，对不同工况下的整机位置和工况进行动力学分析。建立有限元力学分析模型，利用 ANSYS 软件，对不同工况下的整机受力和变形进行有限元强度分析。 1.3.2 关键技术及创新点关键技术创建垂直导杆型液压支架的新型力学计算模型 nts河北工程大学毕业设计 6 三维参数化建模的技术与方法 Pro/E 软件与 ADAMS 软件之间的模型转换运用 ADAMS虚拟样机进行支架工况动态特性的仿真创新点首次对垂直导杆型液压支架进行系统分析研究创建垂直导杆型液压支架的新型力学计算模型 1.4 本章小结本章主要介绍了液压支架的用途、组成、当前国内外研究状况及其在应用中存在的问题，并针对应用中存在的问题，在研究传统液压支架机构型式的基础上，提出了垂直导杆型液压支架这种新型机构型式，然后较详细地介绍了本课题的研究内容、意义、关键技术及创新点。 nts - 7 - 第二章垂直导杆型液压支架结构设计 2.1 典型液压支架架型的分析与比较液压支架的架型在很大程度上决定着液压支架的受力状况、工作性能和生产效率，因此，对液压支架架型的分析与研究是液压支架设计的重要组成部分。本节将针对当前常用的垛式液压支架、四连杆型液压支架、单摆杆型液压支架等几种典型架型，以及本课题研究的垂直导杆型液压支架，作简要的分析比较，找出它们各自的特点。 2.1.1 垛式液压支架垛式支架是我国最早从国外引进的一种支架型式，如图 2-1所示，它属于无导杆、无摆杆支架，其结构简单，支撑能力强，适用于顶板比较完整的工作面，但该支架在设计上存在缺陷，影响了它的普及与使用。一是油缸将直接承受水平横向力，受力不合理，严重影响了油缸使用寿命；二是挡矸能力差，在顶板破碎且不稳定的场合，其维护能力明显不足。在我国，大部分地区地质条件复杂，对支架支护性能要求较高，一些地方从引进这种支架开始，就频频发生事故，有的干脆就无法进行正常生产，所以，这种支架很快就被从生产工作面上淘汰下来。图 2-1 垛式支架机构 2.1.2 四连杆型液压支架支撑掩护式液压支架是在支撑式支架的基础上吸取了掩护式支架的特点发展起来的一种架型。它的顶梁与底座，采用掩护梁和前、后连杆连接起来，形成一个四连杆机构，使支架的刚度和抵抗水平推力的能力大大增强，是目前国内外地下或隧道工程上主要使用nts - 8 - 的液压支架型式。液压支架的四连杆机构，实质上是双摇杆机构，如图 2-2 所示，其特征是：以四连杆的最短杆的对边为机架，摇杆 AB 和 CD 作往复摇摆，连杆 BC 上的某点 E可在机构运动过程中实现双纽线的轨迹。此种机构用于液压支架上，通过合理设计，如图2-3 所示，可使支架顶梁前端点与前方岩壁间距离的变化大大减小，当顶板来压时，立柱迫于压力产生微小的下缩，使顶梁有向前移动的趋势，可防止岩石向后移动，顶板给顶梁一个向后的水平推力，同时，为阻止底座向后移动，底板给底座一个向前的水平推力，从而使支架产生顺时针转动的趋势，因而增加了顶梁前端的支护力，防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减小，防止“啃底”，有利于移架。另一方面，由于四连杆型液压支架在升架或降架过程中顶梁前端轨迹为双纽线，所以其在工作中顶梁与顶板之间就存在相对运动，进而产生摩擦力，使得支架合力作用点位置变化范围较大，影响了支架的稳定性。另外，对于四连杆机构的设计也相对比较复杂，如果设计不好，还会增加支架的内力，影响液压支架的强度。图 2-2 双摇杆机构图 2-3 四连杆型液压支架 2.1.3 单摆杆型液压支架单摆杆型液压支架是 20世纪 90年代初期在我国出现的一种支架型式 2，如图 2-4所示。单摆杆是该类型支架的稳定机构，抗扭能力较四连杆机构弱；另外在升架或降架过程中，顶梁端头运动轨迹是圆弧曲线，顶梁与顶板之间有相对运动，从而使得顶梁与顶板之间产生摩擦力，使得支架合力作用点位置变化范围较大，既不利于顶板维护又降低了支架的稳定性。 nts - 9 - 图 2-4 单摆杆型液压支架 2.1.4 垂直导杆型液压支架垂直导杆型液压支架是本课题所要研究的新架型，它具有以下优点： (1) 滑套与导杆的中心线垂直于底座下底面，在升架或降架过程中，顶梁前端运动轨迹是与滑套中心线相平行的一条直线，支架前梁的空顶距可以更小 ,顶梁前端与前方岩壁的距离可以定量控制，封闭性良好，可以更好地控制顶板。 (2) 垂直导杆型液压支架的垂直导向机构，无论在结构的复杂程度还是在其设计的难度上，都比四连杆机构简单得多，加工制造也很容易，从而可降低支架的设计成本和加工成本，提高产品的经济效益。 (3)垂直导杆型液压支架在顶梁上升或下降的过程中，顶梁与顶板之间没有沿水平方向的相对运动，从根本上消除了顶板与顶梁之间的摩擦力，使得合力作用点的位置变化范围较小，极大地提高了液压支架的稳定性。 (4) 导杆与顶梁铰点距顶梁前后两端较近，可使梁体抗扭或抗偏载能力大为提高。 (5) 垂直导杆型液压支架的掩护梁直接由掩护梁千斤顶控制，较四连杆型液压支架增加了后部工作空间，有利于后部输送机的维护。 (6) 垂直导杆型液压支架具有尺寸小、重量轻，有利于在中小型地下工程推广使用，这对于提高我国中小地下工程支护水平是非常有益的。通过以上分析和比较，垂直导杆型液压支架无论是在其安全性、稳定性、适用性等方面，还是在经济性方面，都有着比较明显的优点或优势，因此该架型的研究与开发必定会取得良好的经济效益和社会效益。 2.2 支架主要结构参数的确定 nts - 10 - 我们在进行了大量调研和参照其他类型支架的基础上，为了满足液压支架具有足够的初撑力和工作阻力、足够的通风断面、足够宽的人行道等要求，确定了该支架的基本结构设计，如图 2-5所示。图 2-5 支架结构参数顶梁长度取 2600mm，厚度取 230mm；伸缩梁的伸缩长度为 550mm；底座长度为 1600mm，厚度取 250mm；支架的宽度取 1100mm；支架支撑工作阻力定为： 2000KN，采用四柱支撑，每根立柱的工作阻力为 500kN，支架最低高度 1.6m，最高支护高度 2.4m。 2.3 液压支架主体部件结构设计 2.3.1 底座设计 2.3.1.1 底座型式的选择底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。因此，底座除满足一定的刚度和强度要求外，还要求对底板的起伏不平的适应性要强，对底板接触比压要小，要有足够的安装立柱、液压装置，推移装置和其它装置，要便于人员操作行走；能起一定的挡矸排矸任用；要有一定的重量，以保证支架的稳定性等。支架底座常用型式有 3 种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体式底座 2。如 2-6所示。 nts - 11 - 图 2-6 底座的结构型式整体刚性底座在立柱柱窝前要设置过桥，以提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体强度和刚度好，底座接触面积大，有利于减小底板的比压，但推移机构处易积存碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作面支架。图 2-6-a所示的底座用于支撑式支架，箱体高度高，便于安装复位装置。图 2-6-b所示的底座高度低，占用空间小，一般用于掩护式或支撑掩护式支架。对分式刚性底座的底板是中分式的，为适应底板起伏不平的变化，通常把底座制成前、后或左、右对分式，图 2-6-c、 d 所示，分别为前后两个底座的对分式，两者通过销轴与弹簧钢板铰接而成，图 2-6-e为左、右两个底座箱的对分式，两者用过桥弹簧和销轴等连接。底靴式底靴式底座的特点是每根立柱支承在一个底靴上，立柱之间用弹簧钢板连接，立柱与底靴之间用销轴连接，如图 2-6-f 所示。这种结构轻便，动作灵活，对底板不平整适应性强。但刚性差，与底板接触面积小，稳定性差，一般用于节式支架上。为了保证底座整体性强、强度高、比压小等性能，此次垂直导杆液压支架的设计选用整体刚性底座。 2.3.1.2 底座结构的设计底座选择三腔室局部开口的截面，采用 4条主筋板组成三腔室，其中左右两腔室封闭，中间开口，这样可以安装前推移机构。导向筒采用钢板焊接成“回”字形，导向筒的下部做成嵌入式的 “ H”字形，将底座左右两腔室连接在一起，如图 2-7所示，下部与底板焊nts - 12 - 接在一起，这样增加了底座的抗扭能力，同时使导杆机构抵抗水平力的能力大大增强，也能够使前推移机构来回运动。在底座的后部设有一块盖板，焊接有掩护梁千斤顶的两个柱窝，增加了底座的抗扭、抗弯能力。这样在底座前部有过桥，中部有导向筒，后部有盖板，大大地增加了底座的抗扭能力。为了防止导向筒上部焊接处在工作中被撕裂，将一个“回”字形钢板焊接在导向筒的上部，增加了导向筒的强度。图 2-7 套筒截面图 2.3.1.3 底座的强度校核在液压支架的研制，试验过程中，各构件的强度计算是极为必要的。由于液压支架的结构特点，外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及失效形式等为依据，随着时间的推移，如果上述诸点有变，强度条件也必须作相应的调整。我国液压支架强度计算中的强度条件：度校核均以材料的屈服极限s计算安全系数；构件、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件；构件通常采用 16Mn等普通低合金结构钢，并由具有标准厚度的钢板焊接而成，取s 350MPa；构件、销轴和活塞杆的强度条件 4为： nn s max (2.1) 式中 max 险断面计算出的最大应力， ;MPa n 用安全系数 nts - 13 - 图 2-8 底座受两端载荷时的受力简图依据图所示相关参数 ,由 0Fx 得： 03s ina 。PFf b (2.2) 由 0Fy 得： 03co sa12 。PTT 由 0)(M B F 得： 00 . 0 5P1 . 0 7 5F0 . 1 5s i n 3P-1 . 3T-1c o s 3P bD。a2a 。 (2.3) （ 2）底座受集中载荷强度校核，根据相关参数得到底座的受力图，如图 2-9所示。由图 2-9受力分析得： 03s inf Da FP 。（ 2.4） 03c o s 12b FFPP a 。（ 2.5）由此得： 1T 2197.8kn f 659.34kn nts - 14 - DF -601.77kn 根据各力大小和作用位置，分别作出底座剪力图、弯矩图如图 2-9。图 2-9 底座受集中载荷时的受力简图底座弯曲强度计算如下 : 在支架受力分析中知道，底座前柱窝处的截面是一个危险截面，截面形状如图所示，最大弯矩为 568.11kN.m，以下对这个危险截面进行强度校核。图 2-10 底座危险截面计算各截面的面积及形心由计算得知，按弯压联合计算，不如按最大弯曲应力计算应力大。为了安全，采用最大弯曲应力进行校核。计算截面面积 F及截面形心至 a a面的距离 y 全部厚度为 16mm 首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成一个号，然后计算截面面积iF最后计算截面形心距iy即： L1 L2 L3 nts - 15 - 已知： L1=1100mm; L2=250mm; L3=250mm; 计算截面的面积及形心 . F1=L1 1=1 0.016=0.016 2m y1= /2=0.008mm F2=L2 2=0.25 4 0.016=0.016 2m y2= +L2/2=0.141mm F3=L3 3=2 0.25 0.016=0.008 2m y3= + /2+0.25=0.274mm mmFFFyFyFyFyFF yFyiii 11.032144332211 （ 2.6）每个零件中心到截面形心的距离： mmyya 032.0008.011.011 mmyya 031.0141.011.022 mmyya 164.0274.011.033 计算各截面的惯性矩矩形截面的惯性矩为： 123bhJzc （ 2.7）式中 b截面宽度 h截面高度计算每个零件的对截面形心的惯性矩ziJ44323333442223224412131105 3 4.212109 7 7.0121067.1121mFalJmFalJmFalJzzz（ 2.8） 44321 1018.5 mJJJJ ZZZZ （ 2.9）计算抗弯截面模量为 344m a x1016.3164.0 1018.5 myJW ZZ （ 2.10） nts - 16 - 344m a x107.411.0 1018.5 myJW ZZ （ 2.11）查阅液压支架相关标准 5，得到其安全系数如表 4 1所示表 4 1 安全系数表底座所选材料为 16wn， = s/1.1=340/1.1=309.1MPa MP aMP aWM Z 1.3 0 987.1 2 0107.4 1011.5 6 8 3 3 （ 2.12）满足强度要求； MP aMP aWM Z 1.3098.1791016.3 1011.568 3 3m a x （ 2.13）满足强度要求。其中 : max 底座上盖板处的应力；底座下盖板处的应力满足强度要求。 2.3.2 顶梁设计此次垂直导杆液压支架顶梁的设计选用对称的五腔室箱形截面，并在顶梁上增加了耳座以便与垂直导杆连接；将柱窝焊接在顶梁下盖板上，这样可以增加顶梁的强度，也便于加工制造，如图 2-12 所示。为了增加顶梁的抗扭能力，布置了多道横筋。由于支架在使用或作强度试验时，柱窝附近的应力较大，因此将柱窝分别放置在左 2 和右 2 纵筋与横筋的交接处，并且在交接处用两块斜筋板进行焊接，以提高顶梁在柱窝附近的强度。图 2-11 对称五腔式截面零件前梁顶梁底座主要轴缸体焊缝活塞杆 n 1.1 1.1 1.1 1.3 3.3 4 3.3 4 1.4 nts - 17 - 图 2-12 顶梁结构简图顶梁整体采用 14mm、 16mm及 20mm的 16Mn 钢板，强度校核符合要求。 nWMz= 228.49（ Mpa） 309.1Mpa （ 2.14） 2.4 本章小结本章首先对跺式液压支架、四连杆型液压支架、单摆杆型液压支架和垂直导杆型液压支架四种架型进行了分析比较，阐述了垂直导杆型液压支架的特色和优点，并对垂直导杆型液压支架的底座、顶梁进行了结构设计和强度校核。 nts - 18 - 第三章垂直导杆型液压支架三维参数化设计参数化设计近年来已经成为机械 CAD 系统的重要开发手段，并在工程实际中得到广泛应用。三维参数化设计，其实质就是在不同的几何元素或特征之间建立各种尺寸关联或几何约束关系，使设计者可以更好的表达设计意图，更加灵活的对模型进行修改 5。使用三维参数化设计，不仅可以提高产品的设计效率、缩短产品开发周期、提高设计质量、降低设计成本，而且可使设计人员腾出更多的时间进行创造性思维，满足不同用户的不同需求。三维参数化技术允许设计者在创立特征时灵活方便的定义特征尺寸标注，并在特征尺寸之间通过建立数学方程式为驱动尺寸来建立零件之间的相互关联性。尺寸之间的关联可以是模型内部尺寸或设计者自行定义的各种外观参数间的关系，设计者可以通过修改驱动尺寸和模型，由系统自动求解其他尺寸的值，这种方法称为尺寸驱动。它的最大特点是尺寸被修改时可以自动保证设计者的设计意图不变，并保证图形的准确、完整和易于修改，其实质就是基于对图形数据的操作，因此绘制一张图的过程，就是在建立一个参数模型。系统将图形映射到图形数据库中，设置出图形的数据结构，参数驱动时将在这些结构中填写不同内容。近年来， Pro/E 在我国的东部及南部地区被广泛应用于航空航天、机械、电子、模具、工业设计、家用电器等行业。实践证明，采用 Pro/E 软件进行产品的设计与开发，可有效地提高产品的性能、质量和合格率，缩短开发周期

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