液压支架的动态特性分析

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ABSTRACTHYDRAULICPOWERSUPPORTUSEDINTHEUNDERGROUNDENGINEERINGORTUNNELPROJECTISONEOFIMPORTANTEQUIPMENTS,ITISMAINLYUSEDFORSUPPORTINGROOF,PREVENTINGTHEROOFFROMCOLLAPASION,PROVIDINGASAFEWORKINGSPACEFORBOTHTHEWORKERSANDTHEEQUIPMENTSINTHEUNDERGROUNDONTHEANALYSISOFTHETRADITIONALHYDRAULICPOWERSUPPORTTYPES,THROUGHTHEINSTITUTIONEVOLUTION,ANEWFRAMETYPEVERTICALGUIDEBARTYPEHYDRAULICPOWERSUPPORTTHENEWSTENTSNOTONLYSIMPLESTRUCTURE,LIGHTWEIGHTANDTHEFRAMEEASY,ANDCANDRAMATICALLYIMPROVEHYDRAULICPOWERSUPPORTSSTRESSSITUATION,ANDIMPROVETHESTABILITY,ANDHASABROADPROSPECTOFAPPLICATIONTHEN,USETHREEDIMENSIONALPARAMETRICDESIGNSOFTWAREPRO/E,THECOMPLETIONOFTHEVERTICALGUIDEBARTYPEHYDRAULICPOWERSUPPORT3DPARAMETRICMODELING,REALIZETHEMODELTRANSFORMATIONFROMPRO/ETOTHEADAMSSOFTWARE,ANDTHENOBTAINTHEDYNAMICANALYSISOFTHEHYDRAULICSUPPORTINTHEADAMSSOFTWARETHISPAPERANALYSISTHEVERTICALGUIDEBARTYPEHYDRAULICSUPPORTNEWFRAMETYPE,ANDADOPTSTHEMODERNDESIGNTECHNIQUESANDMETHODSTOCARRYONTHEDESIGN,SHORTENTHEDEVELOPMENTCYCLEOFHYDRAULICSUPPORT,IMPROVETHEPRODUCTQUALITY,REDUCETHECOSTANDFORFUTUREHYDRAULICSUPPORTPRODUCTRESEARCHANDDEVELOPMENTWITHTHEINSTRUCTIONMEANINGANDREFERENCEVALUEKEYWORDSHYDRAULICPOWERSUPPORTVERTICALGUIDEBARTHREEDIMENSIONALPARAMETRICVIRTUALPROTOTYPINGDYNAMICPROPERTY目录摘要IABSTRACTII第一章概述111国内外液压支架的研究与应用现状1111国外液压支架研究水平1112国内液压支架研究水平2113国内外液压支架研究与应用中存在的问题312本课题的确立及其研究意义3121本课题的确立3122本课题的研究意义413本课题的研究内容、关键技术及创新点5131研究内容5132关键技术及创新点514本章小结5第二章垂直导杆型液压支架结构设计621典型液压支架架型的分析与比较6211垛式液压支架6212四连杆型液压支架6213单摆杆型液压支架7214垂直导杆型液压支架822支架主要结构参数的确定823液压支架主体部件结构设计9231底座设计9232顶梁设计1524本章小结16第三章垂直导杆型液压支架三维参数化设计1731三维建模软件PRO/E1732液压支架三维实体参数化建模18321建模方法简介18322液压支架各部件的三维建模19323液压支架的整机虚拟装配2333本章小结24第四章液压支架虚拟样机与仿真25I41虚拟样机技术2542液压支架力学模型的建立2643支架虚拟样机模型的建立2844支架样机工况动态仿真3245液压支架简易有限元分析36第五章结论38参考文献39河北工程大学毕业设计0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。11国内外液压支架的研究与应用现状111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，着河北工程大学毕业设计1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（175M、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68S/架，使用寿命810年，可用率高达9598，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175M，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。112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（P39MPA）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。河北工程大学毕业设计2（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2550M。（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。113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。12本课题的确立及其研究意义121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11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。该机构可以根据河北工程大学毕业设计3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2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11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。122本课题的研究意义河北工程大学毕业设计4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。13本课题的研究内容、关键技术及创新点131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。132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河北工程大学毕业设计5三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14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。6第二章垂直导杆型液压支架结构设计21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。211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21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21垛式支架机构212四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7用的液压支架型式。液压支架的四连杆机构，实质上是双摇杆机构，如图22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23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，毕业设计论文代做平台580毕业设计网是专业代做团队也有大量毕业设计成品提供参考WWWBYSJ580COMQQ3449649974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22双摇杆机构图23四连杆型液压支架213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24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。8图24单摆杆型液压支架214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。22支架主要结构参数的确定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9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25所示。图25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16M，最高支护高度24M。23液压支架主体部件结构设计231底座设计2311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26所示。10图26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26A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26B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26C、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26E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26F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。2312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27所示，下部与11底板焊接在一起，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27套筒截面图2313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计算安全系数；S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350MPA；S构件、销轴和活塞杆的强度条件4为21NSMAX式中险断面计算出的最大应力，AMPA用安全系数N12图28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03SINA。PFFB22由Y得COSA12。T由0MBF得05P107F5SIN3PCS3PBD。A2A。23（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29所示。由图29受力分析得03SINFDAF。（24）CO12BPA。（25）由此得1T21978KN13F65934KNDF60177KN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29。图29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56811KNM，以下对这个危险截面进行强度校核。图210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AA面的距离Y全部厚度为16MML1L2L314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，然后计算截面面积最后计算截面形心距即IFIY已知L11100MML2250MML3250MM计算截面的面积及形心F1L111001600162MY1/20008MMF2L22025400160016Y2L2/20141MMF3L332025001600082Y3/20250274MMMFYYFYI103214（26）每个零件中心到截面形心的距离YA08011311422MY642733计算各截面的惯性矩矩形截面的惯性矩为（27）123BHJZC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ZIJ432324123110519706MFALJALJZZZ（28）28JZZ（29）15计算抗弯截面模量为344MAX1061085MYJWZ（210）344AX7Z（211）查阅液压支架相关标准5，得到其安全系数如表41所示表41安全系数表底座所选材料为16WN，S/11340/113091MPAMPAWMZ130987120745683（212）满足强度要求；Z1633MAX（213）满足强度要求。其中底座上盖板处的应力；MAX底座下盖板处的应力满足强度要求。232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212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。零件前梁顶梁底座主要轴缸体焊缝活塞杆N111111133343341416图211对称五腔式截面图212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。22849（MPA）3091MPA（214）NWMZ24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。17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，提升产品的市场竞争力，并为企业带来可观的经济效益和社会效益，因此，PRO/E是工程技术人员从事现代设计的最佳选择。在本课题中，本人选择了PRO/E三维参数化实体设计软件，完成了垂直导杆型液压支架的整机三维实体造型和虚拟装配，为后面的结构有限元分析奠定了基础。31三维建模软件PRO/E当前国内流行的三维参数化软件有达索公司的SOLIDWORKS,CATIA欧特克公司的INVENTOR，3DMAX,PTC公司的PRO/ENGINEER等等。PRO/ENGINEER是美国PTC公司旗下的产品PRO/ENGINEER软件的简称。PRO/E（PRO/ENGINEER操作软件）是美国参数技术公司（PARAMETRICTECHNOLOGYCORPORATION，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为18当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。此处我们选用PRO/ENGINEER进行三维建模，其核心特点6有基于特征建模特征是一种集成对象，用于在更高层次上表达产品的功能和形状信息。在PRO/E中，特征是指所有的实体和对象，如孔、筋、圆角、倒角、抽壳等，特征是由参数驱动的。参数化设计所谓参数化是指特征之间具有一定的关联关系，这种关系可通过一定的参数（既可以是变量，也可以是关系式）来表示。当外部变量发生改变时，受其影响的参数也会自动发生相应变化。参数化设计实际上是通过尺寸驱动来实现的。所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸来决定模型的形状。一个模型是由一组具有一定关联关系的尺寸进行定义的。PRO/E中定义的参数包括几何形状参数和定位尺寸参数两种。全数据相关性PRO/E的所有模块都是全相关的，这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括零件模型、装配体、工程图、制造数据等。全相关性鼓励在开发周期的任一时刻进行设计修改，且不会产生任何损失，使并行工程成为可能。单一集成数据库与一些传统的CAD/CAM系统所不同的是，PRO/E是建立在单一数据库基础之上。所谓单一数据库，就是工程中所使用的数据信息全部来自一个数据库，整个系统实现全数据相关，从而可使每个独立用户同时开发同一件产品，实现协同工作。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，提升产品的市场竞争力，并为企业带来可观的经济效益和社会效益，因此，PRO/E是工程技术人员从事现代设计的最佳选择。在本课题中，本人选择了PRO/E三维参数化实体设计软件，完成了垂直导杆型液压支架的整机三维实体造型和虚拟装配，为后面的结构有限元分析奠定了基础。32液压支架三维实体参数化建模321建模方法简介PRO/E是以特征为基础的参数化设计系统，将特征视为最小的模型基础元素。一个完整的零件模型是由若干个特征构成的；同样地，组件模型则是由若干个零件组合而成的。19零件特征1特征2特征3；组件零件1零件2零件3。PRO/E提供了4种创建基础特征的方式拉伸、旋转、扫描和混合。其中，拉伸特征是通过一个二维草绘截面沿着与其垂直的方向拉伸一定深度而得到的特征，多用于创建板类或柱状体；旋转特征是通过一个二维草绘截面围绕与其共面但不相交的轴线旋转一定角度而得到的特征，一般用于创建回转体；扫描特征是通过一个二维草绘截面沿着一条曲线移动一段距离所产生的特征，而混合特征则是将若干个二维草绘截面通过某种方式（如平行、旋转）连接起来形成的特征。相对而言，扫描特征和混合特征更适合于创建形状比较复杂的形体。322液压支架各部件的三维建模垂直导杆型液压支架由顶梁、插板、掩护梁、导杆、底座、前伸梁以及立柱、掩护梁油缸、插板油缸等部件组成。为了研究问题方便，特将这些部件分为两类。一类为组焊件，由于这类部件完全由钢板或圆管焊接而成，各部分之间无相对位置变动，所以可在PRO/E软件的零件模块中以零件的形式创建部件。另一类为组装件，这类部件需要先制作出组成它的各个零件，然后再按照装配关系定义其约束或连接关系进行组装。由于这种情况与整机的建模过程相同，所以这里主要介绍前一种情况的建模思路和方法。启动PRO/E，在主菜单中选择【文件】【新建】命令，出现如图31所示。所示的【新建】对话框，在类型中选择【零件】选项，然后键入“DIZUO”文件名，单击【确定】按钮。图31新建图32新建文件选项选择MMNS模板文件,确定如图32所示。在工具栏上选择按钮，出现如图33所示的操作面板，从中单击【放置】按钮，在随之弹出的上滑板上单击【定义】按钮，出现【草绘】对话框，如图33所示。20图33草绘平面选择选择TOP基准面作为草绘平面、RIGHT基准面为参照平面，单击【草绘】按钮即进入草绘状态，利用草绘工具绘制15501000的矩形后，单击按钮结束草绘。在操作面板上，选择指定深度拉伸，输入拉伸长度16，单击按钮，建立的底座下底板如图34所示。图34底座底板在工具栏上单击按钮，弹出【基准平面】对话框。选择TOP基准面作为参照平面，分别输入偏移距离55、55即得到DTM1、DTM2两个基准平面。利用工具栏上的按钮，建立左1筋板。选择DTM1作为草绘平面，RIGHT面作为参照面，绘制图35所示的草绘截面。输入深度20MM，生成的左一侧板如36所示。图35草绘截面图21图36底底侧板选取刚刚创建的左一侧板，并单击工具栏上的按钮，系统弹出镜像复制操作面板，这时，选取TOP基准面作对称平面，即可完成特征镜像复制，如37所示图37镜像侧筋板重复以上步骤，即可得到其它筋板、左右封板特征。接下来，将依次制作完成柱窝、耳板、导向筒等结构特征。由于涉及到的结构特征比较多，而各个特征的创建方法和步骤都基本相同，限于篇幅，恕不一一叙述，最后完成的顶梁造型如38所示。图38底座完成图完成底座的建模之后，类似的步骤，我们可以做出顶梁、导杆、掩护梁、插板等零部22件的三维实体模型，这里不再一一叙述。这些零部件的三维模型分别如图39、310、311、312、313所示。图39顶梁图310导杆图311掩护梁图312伸缩梁图313插板323液压支架的整机虚拟装配虚拟装配是实际装配过程在计算机上的本质体现，即采用计算机仿真和虚拟现实技术，通过仿真模型，在计算机上仿真装配全过程，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试。从本质上来说，虚拟装配就是要利用计算机生产出“虚拟产品”，它和CAD技术相结合，可以解决设计与装配对象在设计和研制过程难以实现的动态性能。这样可以使设计人员在产品设计阶段就能了解产品的可装配性，解决装配中可能存在的问题，提高23设计效率，降低产品的成本。对液压支架部件三维实体建模采用自底向上的方法，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。创建好液压支架的所有部件之后，开始对其进行装配。装配前，应正确分析各个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，以保证装配后的整机定位可靠、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。根据各部件之间的装配关系不同，PRO/E提供了不同的装配形式。如果装配件与被装配件之间没有相对运动，装配时应使用“放置”选项板定义彼此之间的约束关系；否则，在装配时应使用“连接”选项板来定义它们之间连接关系和约束关系。在PRO/E中，组件模块提供了“匹配”、“对齐”、“插入”、“坐标系”等多种约束类型和“刚性连接”、“销连接”、“滑动连接”、“平面连接”、“球连接”等多种连接形式。在具体操作中，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，四个立柱和各个油缸两端的销孔与其相关部件上耳座之间一律采用“销连接”，活塞杆与缸体之间、插板与掩护梁之间、导杆与导向筒、前伸梁与顶梁之间一律采用“滑动连接”。一般情况下，采用的连接形式不同，所需定义的约束类型也不同。只有当被装配件处于完全约束时，被装配件才可能具有确定的运动，“连接”才会有效7。完成支架所有部件的装配后，进行干涉检查，确认无误后即可。完成的垂直导杆液压支架三维实体模型如314所示。24图314液压支架整机装配图33本章小结本章简单介绍了PRO/E三维实体参数化建模方法，然后分别建立了顶梁、底座、导杆、掩护梁、插板和伸缩梁等液压支架的主要部件，在此基础上对液压支架进行装配，创建了液压支架整机三维实体模型，为第四章虚拟样机动态特性分析和第五章支架有限元分析奠定了基础。25第四章液压支架虚拟样机与仿真41虚拟样机技术411虚拟样机技术简介虚拟样机技术是上世纪80年代兴起、基于计算机技术的一个新概念。虚拟样机技术是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度，虚拟样机设计是利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行测试和评价。虚拟样机本质上是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统。412MSCADAMS软件MSCADAMS，即机械系统动力学自动分析（AUTODYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEMS）,该软件由美国MDI公司（MECHANICALDYNAMICSINC）开发的虚拟样机分析软件。目前ADAMS软件已经被全世界各行业的数百家主要制造商采用。现在ADAMS软件占据市场50的份额，现已经并入美国MSC公司。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等7。ADAMS软件一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。此外，ADAMS软件提供了丰富的数据接口，如能读取STP、IGES等格式的模型。此外，ADAMS和PROE之间还有专门的数据传输插件MECHANISM/PRO2005简称26MECHPRO2005,此插件支持模型从PROE中直接导入ADAMS软件，这部分将在422中详细介绍。42液压支架力学模型的建立这一部分中我们假定支架顶板和底板所受的力均为集中载荷8，支架几何模型简图如41所示图41支架几何简图由上图的几何关系可推导出21COSHL（41）2IN底座受力分析如42所示，此处把实际工况中支架底座的支撑力简化成两端的两个集中载荷支持力，对底座受力模型作一定简化。27图42底座受力模型由得0X0SINADPFF（42）由得YCOS12ABT（43）由0MBF得050715SIN3CS2BDAAPFPP（44）OBAF（45）由此得SIN710CS48021AABPPTBA2IO5ADF3CSSIN底座受力模型简化为底座中间集中载荷，同上可得BAADBPP30COSSINCO1（46）将上式及PA1110001100KNPB1110001100KN同理，可以求出顶梁载荷简化为集中载荷时，22221017301730HHPFABBAD（47）这两个力和顶梁对应的力方向相反大小相同。43支架虚拟样机模型的建立431ADAMS软件直接建模ADAMS软件提供了丰富的建模工具，如常见的杆件、柱状体、球体、锥体薄板等，此外还有拉伸、旋转建模方法8。由于在前面我们已经建立液压支架的PRO/E模型。这里我们不再使用ADAMS软件进行建模,而是使用接下来一小节中讲的模型直接导入的方法。28ADAMS软件直接建模工具的介绍从略。432PROE与ADAMS软件接口MECHANISM/PRO2005以下简称为MECH/PRO是MSC公司开发的连接三维建模软件PRO/E与动力学仿真分析软件ADAMS的接口软件，使用此软件能实现PROE与ADAMS之间实现模型转换，可以将装配完的模型根据其运动关系转化为机械系统动力学模型，进行机械系统的动力学和运动学仿真，并对其进行动态干涉检验来确定机构运动终止位置等等。使用它还可以在PRO/ENGINEER中定义刚体和施加约束后，将模型传递到ADAMS中，以便进行全面的动力学联合仿真分析9。MECH/PRO能增加模型的仿真精度提高了工作效率并且能准确体会设计意图在MECH/PRO中施加物体间的约束时，需参考PRO/ENGINEER的零件特征如圆柱的中心线、圆心、顶点等物，这样一则可以加快机械系统模型的创建，二则可以更好地准确体会设计意图，增加机构约束的准确性。此外能在MECHANISM/PRO中添加约束的尽量在MECHNISM/PRO中添加,如果一些必须在ADAMS中施加的约束，则需要在MECH/PRO中创建标记点或标记曲线10。MECH/PRO安装配置详细步骤如正文后附录所示，此处从略。本文在装配好液压支架模型后，就可以用MECH/PRO将模型导入到ADAMS中在PROE的组件模块中，MECHPRO2005显示为一个菜单管理器如图43所示。图43MECHPRO2005使用MECHPRO2005导入模型过程由于ADAMS和PROE所使用的单位制不一样11，因此要先在在PROE中把模型单位制改成ADAMS能识别的MMKGSECC毫米千克秒摄氏度，其中模型包括整个装配模型和各个零部件模型，其次，定义刚体，再次添加运动幅，29最后导入模型。433虚拟样机模型的导入此处对样机模型的导入进行详解如下定义模型单位制打开模型设置单位模型单位制，如图44所示。新建模型单位制UNIT_SYSTEM1，单位为MMKGSECC毫米千克秒摄氏度。并设置成当前单位制，如图45所示，然后对模型中的每个零件，注意装配体模型一定不要有子装配体。图44新建单位制图45设置成当前单位制定义刚体点击MECH/PROSETUPMECHANISMRIGIDBODIESCREATEAUTOMATICALLPARTS,建立刚体。如图46