液压支架三维造型设计与运动仿真

1、1 基于 pro/e 的液压支架三维造型设计与运动仿真作者姓名：任客 菲专业班级：机械工程及自动化机械三班指导教师：张静摘要采煤综合机械化， 是加速我国煤炭工业发展， 大幅度提高劳动生产率， 实现煤炭工业现代化的一项战略措施。综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动， 改善作业环境， 是煤炭工业技术的发展方向。液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。首先， 通过对液压支架的相关资料收集， 整理；了解液压支架的结构， 类型，工作原理，特点，目的及要求；其次，对支撑掩护式液压支架结构作了设计，受力分析以及强度校核；再次，利用三维软件pro/e进行三维建模，并且根据运动

2、关系将各个部件在pro/e 中装配起来。；最后，进行运动仿真，保存运动仿真结果，用于运动分析。关键词：液压支架四连杆机构底座成都理工大学毕业设计（论文）2 abstrct the comprehensive mechanization of coal mining is a strategic measure to the acceleration coal industrial development of our country , raise labor productivity substantially , realize the modern of coal industry. s

3、ynthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement schoolwork environment, is the technology of coal industry develop direction. hydraulic support is the one of comprehensive most important equipment in the mechanization m

4、ethod of coal mining. first, the correlation of the hydraulic support data collection, collation,understanding of the structure of hydraulic support, types, working principle, characteristics, objectives and requirements; second, support for structural support made the cover of hydraulic design and

5、strength check; again using three-dimensional software pro / e three-dimensional modeling, and based on movement between the various parts in pro / e in the assembly together. ; finally, simulation animation production, preservation movement simulation results for motion analysis. keywords: hydrauli

6、c support 4 linkage mechanisms base 成都理工大学毕业设计（论文）3 目 录第 1 章 前言. 11.1 本课题研究的目的与意义. 11.2 国内外液压支架的研究现状及发展. 11.3 本课题研究的内容 . 3第 2 章 液压支架结构设计 . 42.1 液压支架工作原理 . 42.2 支架结构及其作用 . 62.2.1 顶梁. 62.2.2 掩护梁 . 62.2.3 底座. 72.2.4 前后连杆 . 7第 3 章液压支架强度校核 . 93.1 支架的工作状态 . 93.2 液压支架的架型特点 . 93.3 液压支架载荷的确定 . 103.4 各部件受力分析及

7、强度校核 . 103.4.1 参数对支架性能的影响 . 123.4.2 支架工作阻力计算 . 153.4.3 前后连杆受力 . 163.4.4 底座强度计算 . 163.4.5 推移千斤顶强度计算 . 193.4.6 顶梁载荷分布 . 213.4.7 底座接触比压 . 233.4.8 支架受力影响因素 . 233.5 强度条件 . 24第 4 章液压支架三维建模与运动仿真. 264.1 三维建模及装配 . 264.1.1 液压支架零件建模 . 264.1.2 液压支架装配 . 284.2 运动仿真 . 304.3 运动分析 . 32结论. 35致谢. 36成都理工大学毕业设计（论文）1 第 1

8、 章 前言1.1 本课题研究的目的与意义众所周知煤炭是我们的主要能源之一，少了煤炭人类的生产， 生活将出现问题，所以对煤矿开采配套设备的研究显得尤为重要。液压支架作为综采设备的一员，在其中扮演着重要角色，其主要功能不仅用于支撑管理顶板，隔离采空区，维护采煤作业空间，并能进行前移，推进采煤工作面输送机和采煤机。因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。另外，采煤设备的合理选用并且使用先进的技术， 可以解决采煤工作中遇到的许多问题，可以提高工作效率，降低成本，减少机器的损耗，保护工作人员和设备的安全，以及减轻笨重的体力劳动，可为煤矿产业提高经济效益。这次设计主要目的是利用pro/e

9、 软件进行液压支架的三维建模，并根据运动关系将支架的各个部件在pro/e 中装配起来，最后进行运动仿真和运动分析，检查机械结构各部分的干涉与协调情况。1.2 国内外液压支架的研究现状及发展煤是人类生活的重要能源， 煤的开采时刻与我们生活相关， 而煤的开采主要是利用液压支架等配套的综采设备工作的。综采设备的研制和广泛的运用， 对煤炭工业革新技木装备不仅有着重大的作用而且对采煤工艺各个环节技术水平的发展和提高，是强有力的促进因素。以液压支架为主要设备的综合机械化采煤配套设备的诞生和发展是煤矿生产发展史上的一次重大革命。 不仅从根本上改善了劳动和安全条件，也为工作面产量和效率的迅速提高奠定了基础。但

10、是综采设备投资较高， 特别是液压支架占综采设备总投资约60%，因此液压支架的合理选用显得尤为重要。据统计 ,1991 年德国煤矿使用液压支架共134 套, 采煤工作面全部实现了综合机械化。电液控制系统已在国内应用22套左右。据 1992年统计 , 美国煤矿综采工作中有 56.8%使用德国液压支架。 目前国外液压支架的研究发展正在逐步向大吨位，大缸径方向发展。目前国外如：英、美、德等国家的大缸径液压支架上成都理工大学毕业设计（论文）2 已经配备了 250-400l/min 的大流量安全阀。这些安全阀对大缸径液压支架起到了很好的保护作用。近年来，我国机械化综采设备迅速发展，在近30 年的液压支架发

11、展中，形成了以煤科总院专业研究所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机三维设计进行各种类型支架的设计，用有限元计算软件等进行计算，并普及计算机绘图。 制造方面形成以原部属专业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系，以及以国家煤矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关支架检测标准11 项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍;形成了研制液压支架的雄厚基础。不仅能满足国内的需要，还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架或成套综采设备。我国自1973 年开始大规模引进德国、英国等先进国家的综采设备，经历了消化、吸

12、收和改进提高的过程， 到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系，液压支架的制造和采煤技术已有长远发展。1984 年，北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂联合进行了我过第一套放顶煤支架的工业性试验，继而为研制多种地位、中位和高位放顶煤支架奠定了基础。我国液压支架发展尽管取得了显著成绩, 性能已经基本接近进口支架主体结构件的性能，在双高矿井建设中出现过日产万吨、甚至班产超万吨的记录, 但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距，在支架架型功能上我国与国外相差无几 , 有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处, 但国产液压支架技术含量偏低, 电液控制阀可靠

13、性差 ,所用钢材一般为16mn ,最好的屈服极限才700mpa , 液压系统压力在35mpa 以下 ,流量在200l / min 以内 ,供液管25 32mm ,回液管25 50mm , 最快移架速度 1012s/ 架(井下实际应用有时在20s 以上) , 电液控制系统、主要阀类及配套的液压泵站仍需要进口，工作阻力更是相对较低， 使用寿命也与进口支架存在一定差距。在未来的发展方向， 我国的液压支架将朝技术含量大、钢板强度高、 移架速度快(68s/ 架) 和电液控制阀的方向发展, 对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力 , 尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构,并减少千斤顶的数量。 另外,将普遍

14、采用额定压力为40mpa 、额定流量为 400l / min 的高压大流量乳化液泵成都理工大学毕业设计（论文）3 站，以适应快速移架的需要， 系统采用环形或双向供液， 保证支架有足够的压力达到初撑力 ,保证支架接顶位置准确。 zy 两柱掩护式支架的比重将大大增加, 缸径将增至 360mm , 端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。液压支架未来主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱掩护式架型发展，架型结构进一步完善， 设计方法更先进， 参数向高工作阻力、 大中心距发展。 液压支架另一重大突破是控制系统，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

15、，红外线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，支架循环时间达到68s。随着科技不断发展， 液压支架的结构的可靠性会不断改进与提高。支架主要部件多数是由钢板组焊而成的结构件, 其可靠性不仅取决于梁体截面的计算强度, 而且与结构合理性、受力情况分析的准确性、焊缝布置的形式、应力集中状况等多种因素有关。 我们采取多种措施提高结构件的可靠性： （1）改进计算方法 , 采用三维软件建立模型设计计算方法通用程序或有限元分析（2）优化支架主梁结构参数系列 (3) 简化梁体结构 , 妥善处理断面变化 , 加强连接部位 (4)优化焊缝设计, 避免应力集中。1.3 本课题研究的内

16、容本课题是基于pro/e 的三维建模造型软件，设计建造液压支架的三维模型，并根据运动约束关系将支架的各个部件在pro/e 中装配起来， 最后进行运动仿真及运动分析。（1） 收集关于液压支架的资料，了解液压支架的结构、工作原理等。（2） 利用 pro/e建立液压支架三维模型。（3） 将液压支架部件进行装配。（4） 在 pro/e中对液压支架进行运动仿真及运动分析。成都理工大学毕业设计（论文）4 第 2 章 液压支架结构设计2.1 液压支架工作原理液压支架是由乳化液泵站提供乳化液作为动力来源的，由液压系统， 控制系统，液压油缸和金属构件等组成。来自泵站的高压乳化液， 经主进液管送到了工作面，并与每

17、个支架的进液截止阀相连导入支架，再经过组合操纵阀配液到各液压缸，以完成支架所需的各种具体操作。从支架流回的低压乳化液通过组合操纵阀与回液截止阀由主回液管路回到泵站乳化液箱内，使其能够循环使用。液压支架支撑是在综采工作面的顶底板之间来支撑顶板。顶板压力作用在顶梁上，并通过顶梁和底座间的立柱将压力传至底板。液压支架在工作过程中， 不仅要支撑顶板， 维护安全工作空间， 而且要随工作面的推进， 进行移架和推移输送机。因此，液压支架要实现升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过几个液压缸的不同工作性质来完成的，如图2-1 所示。图 2-1 液压支架工作原理1顶梁； 2立柱； 3

18、推移千斤顶； 4安全阀； 5单向筏；6、7操纵阀；本次设计主要采用四柱支撑掩护式液压支架进行设计，并对其进行结构部件的计算校核。支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。 因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适用于各种工作环境。 支撑掩护式支架的顶梁由前梁与主顶梁构成，四根立柱支撑在顶梁和立柱之间， 掩护梁的上端与顶梁铰接， 下端用连杆与底座相连。 这种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，稳定性好，应用范围广成都理工大学毕业设计（论文）5 泛。它的主要缺点是：结构较为复杂，成本比较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排，每排两根， 一般情

19、况两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。四柱支撑掩护式液压支架如图2-2 所示：图 2-2 四柱支撑掩护式液压支架液压支架主要由金属结构件、油缸和液压控制元件三大部分组成。（1）金属结构件主要有主顶梁、 掩护梁、前连杆、后连杆、底座、侧护板、护帮板等。（2）油缸主要有立柱、推移千斤顶、平衡千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶等。（3）液压控制元件主要有液压控制阀、操纵阀、双向锁、安全阀、截止阀以及液压辅助元件等。成都理工大学毕业设计（论文）6 2.2 支架结构及其作用2.2.1 顶梁顶梁采用一个整体结构直接与顶板接触，支撑顶板负荷， 是液压支架的主

20、要承载部件，是由钢板焊接而成的箱式结构，以满足强度和刚度要求。结构如图2-3 所示：图 2-3 顶梁其主要作用是：（l）承接顶板煤矿的载荷；（2）反复支撑顶煤，可对比较坚硬的顶煤起到破碎的作用；（3）隔离顶板，为回采工作面提供足够的安全空间。本支架采用分段组合式顶梁结构（刚性顶梁铰接式前梁） ，强度高，对顶板维护较好。2.2.2 掩护梁图2-4 掩护梁成都理工大学毕业设计（论文）7 掩护梁分别与顶梁和前、后连杆相连接，其主要作用有：(1) 承受上部顶板的水平分力和侧向力，增强支架的抗扭性能；(2) 掩护梁与前后连杆、底座形成四连杆机构，保证支架的稳定性；(3) 对后部落煤起到阻挡作用，维护工作

21、空间。2.2.3 底座底座是稳定支架的主要结构件， 顶板的压力通过立柱传向底座， 使底座受到载荷。该支架设计为整体刚性底座，底座平整接地面积大， 有利于减小对底板的比压。该底座的缺点是在推移机构外易积存煤碎矸，影响支架正常工作， 必须及时清理。底座结构如图 2-5 所示图 2-5 底座其主要作用是：(1) 将上面载荷传递给底板， 为立柱、推移装置及其他装置提供足够的操作空间；(2) 给工作人员创造一个良好的工作环境；(3) 维持支架的稳定性。2.2.4 前后连杆前、后连杆分别与掩护梁和底座铰接，共同形成四连杆机构， 前连杆采用铸钢件，铸件中不能有气孔、砂眼等，避免强度降低，使用寿命减少。铸后要

22、进行淬火和高温回火，以降低硬度，增加强度和韧性。对于后连杆，由于不仅受到冒成都理工大学毕业设计（论文）8 落矸石的负荷， 还要承受顶板的一个水平推力，所以要求它有较大的强度， 这里采用整体式结构。前后连杆的结构如图2-6，图 2-7。图 2-6 前连杆图 2-7 后连杆其主要作用是：（l） 使支架在高低变化范围内，顶梁能够平稳地升降，使顶梁前端与煤壁的距离变化尽可能小，更好地支护顶板。（2） 承受顶板的水平分力和侧向力，使立柱不受侧向力。为使冒落矸石不从连杆处掉落到支架内，本次设计后连杆为整体式。 均为钢板焊接的箱体结构，这种结构有较强的抗拉、抗压和抗扭性能。成都理工大学毕业设计（论文）9 第

23、 3 章液压支架强度校核3.1 支架的工作状态在采煤工作中，当煤被采出后，就会出现一定的空间，出现裂隙，如果不及时支护，顶板就要冒落，持续时间越长，危险就越大，而顶板冒落时一般分为三个阶段，开始顶板并不受力，此时顶板完好，而且没有下降趋势，此时顶板并不破裂，且这种下降带有一定的时间过渡，如不及时支护，顶板就会破裂而冒落，此时叫冒落状态。开始支架支撑顶板，此时为无压状态，当周期来压时，顶板下降，使立柱下腔压力增加， 当增加到大于安全阀调定正压力时，安全阀被打开， 使立柱下腔压力下降，称立柱让压状态，使支架以工作阻力支护顶板；如继续来压，就要不断让压，所以立柱要有一定的向下行程，如没有向下行程，称

24、压死状态，这是在设计和使用中，必须要注意避免的现象。支架在工作面受力是由于顶板下降，同时又有向采空区移动的趋势， 使顶梁受合力和底座受底板压力，其中顶板合力的垂直分力，由支架工作阻力来克服，所以我们在计算支架的工作载荷f 时按支架的工作阻力来确定。3.2 液压支架的架型特点本次设计采用四柱支撑掩护式液压支架，该支架具有以下特点：（1）支架型式为：四柱支撑掩护式液压支架；（2）对支架总体结构参数优化，梁端距变化应小；顶梁前部较薄强度、刚度应充分保证；（3）支架的四连杆结构设计要从考虑梁端距变化量控制着手，并能与其它构件形成刚性好、强度高、稳定性好的整体结构；（4）顶梁和掩护梁带单侧活动侧护板，能

25、实现对护顶的调整；（5）封底底座，减小底座比压、增大底座刚度、强度；（6）支架的整体结构应具有“ 人机学 ” 的观点，结构紧凑，操作方便，制造成都理工大学毕业设计（论文）10 成本低；（7）采用双纽线连杆机构联结掩护梁和支架底座，以增加支撑力，增强支架的稳定性。3.3 液压支架载荷的确定液压支架实际受载荷情况很复杂，顶梁和底座上的载荷并不是很规律，分布规律随着支架与顶底板的接触情况而变化，为简化计算作如下规定。(1) 把支架化简成一个平面杆系结构，按集中载荷进行计算。(2) 金属结构件按材料力学上的直梁理论来计算。(3) 顶梁，底座与顶底板认为接触分布均匀，载荷沿支架长度方向呈线性变化，沿支架

26、宽度方向为均匀分布。(4) 通过分析和计算可知，掩护梁上作用力，只能使支架实际支护阻力降低，所以在计算强度时不考虑在内。(5) 立柱按照工作阻力最大值来计算。(6) 作用在顶梁上水平力的产生有二种情况：一种是支架在承载让压时，由于顶梁前端运动轨迹为双扭线， 所以顶梁与顶板有产生位移的趋势，水平力为顶梁合力与静摩擦系数的乘积， 其方向与顶梁产生位移方向趋势相反；另一种是由于顶板向采空区方向移动， 使支架顶梁受一指向采空区的水平力，最大水平力值与上相同。顶梁与顶板的静摩擦系数f，目前国内一般取0.20.3。(7) 支架各部分受力，按不同支护高度时受力最大值进行强度校核。(8) 各种结构件的强度校核

27、， 除按理论支护阻力校核危险端面外，还要按液压支架形式试验技术规范的各种加载方法，以支架的额定工作阻力逐一校核，超过额定工作阻力10的超载试验，将由安全系数来保证强度。3.4 各部件受力分析及强度校核支架的受力分析与计算， 是按理论力学中力矩平衡的原理来计算的。即一个物体受几个力的作用下处于平衡状态时，所受力和力矩之和为零。 即以当支架支承后在处于平衡状态时， 取整体或某一个部分为分离体也处于平衡状态，其合力成都理工大学毕业设计（论文）11 和合力矩为零。即满足静力平衡的充分必要条件为各力在x 上的投影之和为零，各力在 y 上的投影之和为零 ;各力对某点取矩之和为零。一下就是根据这一理论对支架

28、简化成平面杆系进行受力分析和计算。支撑掩护式支架各支撑点受力计算：假设顶梁受以集中载荷ap,水平分力为afp。掩护梁上载荷的合力分量各为xq和yq。前排立柱工作阻力为bp,后排立柱工作阻力为bp。受力状态如图3-1所示。图 3-1 支撑掩护式支架受力情况取顶梁和掩护梁为隔离体，om=0,即：0sincossincos222111kqeqltgpfplstglpplltglppllxyaabbbb（3-1）xf=0,即：0cossinsin221xdcbbaqppppfp（3-2）0yf，即：0sinsincoscos21yddccbbaqppppp（3-3）取顶梁为隔离体，01om,即：成都理

29、工大学毕业设计（论文）12 0coscos2211spplplabb由上式得：2211coscos1bbaplplps（3-4）把(3-4)式代入（ 3-1）式，解得：lkqleqtgpppptgfpxybbbba2121sinsincoscos11(3-5) 由（3-4）式和（ 3-1）解得：coscoscossincoscossin121cxcyccacbcbdcdqqfpppp（3-6）dxdyddadbdbcdcqqfppppsincoscossincoscossin121（3-7）3.4.1参数对支架性能的影响支撑掩护式支架在工作过程中，各主要部件的受力是变化的，其影响因素有诸多方面

30、。(1) 立柱倾角对承载能力的影响由于支撑掩护式支架的立柱大部分是倾斜布置的，倾角又随着支架的高度变化，所以支架的承载能力的大小也随着支架的高度而变化。现在对承载能力的影响。立柱支撑在顶梁，当立柱的工作阻力为bp，倾角为时，显然支架的承载能力与bpcos有直接的关系。因为cos1 ，因此立柱倾斜布置将使支架的承载能力降低。角和cos之间的关系表示在右图中。 由图看到，当0.95，支架的承载能力降低值不大于5。当。26 时，cos0.90， 所以支架承载能力将显著的减小。因此丛支架承载能力的角度看，立柱倾角不要大于图 3-2 角度变化成都理工大学毕业设计（论文）13 18 。但是，有些支架为了使

31、高度变化的范围增大，倾角往往大于30 。(2)tg 值对支架承载能力的影响在以上各式中有多项公式包含tg ，分析如下：o 点是瞬时中心，随着支架高度的变化，o 点的位置也发生变化，tg也跟着发生变化。当o 点在顶梁上方时，tg取正值。当 o 点在顶梁下方时tg取负值。tan值增加，附加力增加。当摩擦系数w0.3，tg=0.1 时，附加力可达支架名义工作阻力的30。所以tg 值过大对支架受力不利。在支架的工作高度范围内，一般把tg 值控制在 0.35 以下，从而把附加力控制在支架名义工作阻力的 10范围内。最后，必须指出，tg不仅对承载能力有影响，而且对各受力部件有影响，并相当复杂，因此tg 是

32、大是小，由具体情况而定。(3) 支架承载能力随高度的变化由支架载荷ap的式子可以知道，其中、l是随高度而变化的，因此支架的支撑力也就随着高度而变化。在调高范围内， 支架的承载能力在两侧的高度内比较小。 一般情况下， 支架常用加大立柱的倾角来扩大支架的调高范围。而角越大，支架的承载能力越小，所以支架的调高范围越大，承载力变化越大。但是支架在设计中一般都要按可能的最大承载力来设计，显然这就使支架不能发挥应有的作用， 在很大的一段承载范围内就要大材小用。所以设计支撑掩护式支架时，应特别注意使支架承载力在整范围内的变化尽量小。另外指出，支撑式支架的支护高度对支架受力没有影响，而掩护式和支撑掩护式支架，

33、由于支护高度的变化，使立柱的支撑角度、平衡千斤顶的角度、掩护梁和四连杆机构的角度等的不同，使受力也不同。成都理工大学毕业设计（论文）14 在进行强度计算时， 要算出顶梁最大载荷时的支护高度为依据，按此时的情况进行受力分析。(4) 摩擦系数的影响对支架承载能力的影响摩擦系数对支架承载能力的影响表现在11tg项中。产生水平载荷的原因很多， 所以它的大小和方向也是根据具体情况而变化。但是，它的极限值却可以用顶梁和顶板支间产生相对滑动时的极限摩擦力求得。即壁系数断裂极限值m axf等于顶梁和顶板的摩擦系数。所以此值的大小在0maxf范围内变化。水平载荷的方向可以只考虑向后作用。加入顶梁上受向前的水平载

34、荷，很容易使支架向前倾倒， 这种趋势使顶梁对于顶板向前滑动，则水平载荷又变成向后作用。f值在11tg中随承载能力有很大影响。只有tg值很小时，ftg才能忽略不计。对连杆受力影响由连杆受力cp和dp的计算式可以看出，摩擦力对连杆受力的影响表现在cafpsin和dafpsin项中。 当支架升高时，c和d就逐渐增大，csin和dsin也就逐渐变大。因此，随着支架的高度，摩擦力对连杆的影响逐渐增大。(5) 杆水平角对连杆受力的影响由cp和dp的计算式可知，当它的分母为零时，cp和dp将无限大。因此其极限条件为：0sincd（3-8）得：dc0成都理工大学毕业设计（论文）15 即：dc当分母等于 1 时

35、，cp和dp得最小值，其条件为：1s i ncd（3-9）dc90由以上两个条件得到下列结论， 前后连杆不能平行放置， 前后连杆的水平支架必须要有差值，从连杆受力的角度着眼，其差值应越大越好，极限差是90 。3.4.2 支架工作阻力计算掩护梁上没有负载，摩擦系数为0.3，支架最高位置，每根立柱工作阻力为1000kn。取顶梁和掩护梁为隔离体，忽略顶梁和掩护梁的铰接点都顶梁之间的距离。图 3-3 顶梁与掩护梁尺寸根据（ 3-5）式，支架工作阻力为：lkqleqtgpppptgfpxybbbba2121sinsincoscos11成都理工大学毕业设计（论文）16 =12000cos 72000 co

36、s 3(2000sin 72000 sin 3 )20.210.320.2tgtg=4339.3kn 根据（ 3-5）式，ap的作用位置为：2211coscos1bbaplplps=3cos20002827cos20007003.43391= 452.63mm3.4.3 前后连杆受力根据（ 3-7）式，前后连杆受力为dxdyddadbdbcdcqqfppppsincoscossincoscossin1217.75cos7.75sin3.03.43397.753cos20007.757cos20004.627.75sin1=4543.5kn 由上式得 “ ” 号，所以前连杆受力方向与图示相反，也

37、就说前连杆受拉力。根据（ 3-6）式，后连杆的受力为：4.62cos4.62sin3.03.43394.623cos20004.627cos20005.627.75sin1cossincoscossin121ccacbcbcddfpppp=-3855.8kn 3.4.4 底座强度计算成都理工大学毕业设计（论文）17 根据顶板地质条件选支撑掩护式支架。根据顶板支护强度、 煤层厚度、 即采煤机等条件，支架尺寸表示在3-1 图和表 3-1 中图 3-1 支架尺寸表 3-1 角度与位置参数角度支架最高位置13277.62c4.62d7.75现在求支点 a 反力。0rm,即：0)424702(sin43

38、5cos702sin974cos435sin701cos435sin1546cos)688860538(2211ddddccccbbbbappppppppr(3-10)式中knpb2000knpc5.4543knpb2000knpd8.3855成都理工大学毕业设计（论文）18 1、2、c、d列于表 31。由以上求出支反力ar=964kn 各点的弯矩：am=0 0.302bamr291.1kn.m 11(0.3020.825)cos0.825sin0.24babbmrpp513.6kn.m 12(0.3020.8250.325)cos(0.8250.325)cos0.32 5sin0.24sin

39、0.24939.68kn.mcabbbbmrppppknppmdddde31.7034.042.0sin24.0cos在 pc点处弯矩虽然最大，但是侧板较高。所以校核后柱窝处的断面强度，其断面表示于图 3-2 中。图3-2 弯矩图结构形心位置为()nncnf yyf(3-11)=5 4 0193 6494 72222 6 01 64 5 4 013 6447 22164 =14.5cm 惯性矩为2cnnnyyfjj（3-12）成都理工大学毕业设计（论文）19 222214580540(914.5)194436(914.5)630472(214.5)21.416(2614.5)=130302.9

40、4cm弯曲应力(2814.5)bmj=5513.610(2814.5)130302.9=5360.5n/cm2(3-13) 安全系数n=s=343555360.5=61.1 (3-14) 由于安全系数 6 远远大于所给定安全系数，所以支架底座绝对安全。3.4.5 推移千斤顶强度计算推移千斤顶计算推溜力为：145.7kn；拉架力为 231kn；故所受最大力为拉架力。（1）千斤顶稳定性验算活塞杆柔度计算：i(3-15)式中长度折算系数，在两端铰接时，1；活塞杆的计算长度；i活塞杆横断面的回转半径，1jia14d。解得：i105426.25 192826.2535.355，且225jj2122111

41、lltktkl(3-18)式中1k1ejp,2k2ejp；其中：e钢材的弹性模量， e2.08852.08810am p；1t1 1(57.3)tgk l；2t22(57.3)tgk l；经计算得11.362k,21.31k;1t0.68；2t0.574；5.6；活塞杆的合成应力：wpap(3-19) 式中a活塞杆的横截面积； a=86.59mm2w活塞杆的端面模数； w113.7；2312315.686.5113.7=140.5mpa 安全系数计算如下：sn(3-20) 成都理工大学毕业设计（论文）21 活塞杆采用 45号钢s450550mpa 450140.5n=3.2n式中n许用安全系数

42、，一般最小为1.4。千斤顶缸体强度验算缸体壁厚验算：当3.2d时按中等壁厚缸体公式计算，此处d25。ccdp3.2(3-21) 式中缸体实际承受的最大应力，mpa。安全系数为：nnb(3-22) 式中b缸体材料为 27simn 无缝钢管，b980 mpa n许用安全系数，一般取3.54。经计算：16.53.216.51407.14201 mpa 9804.87201nn；故经校核计算推移千斤顶符合要求。3.4.6 顶梁载荷分布顶梁所受顶板的载荷求出后，就可以进一步计算出载荷在顶梁上面的分布情况。有戏顶板与顶梁接触情况不同， 载荷实际分布很复杂。 为计算方便，假设顶梁与顶板均匀接触且载荷为线性分

43、布。设顶梁长度为 lg，顶板的集中载荷为f1，其作用点距顶梁一端为x。则当3lgx时，载荷分布为三角形。如图3-7 所示成都理工大学毕业设计（论文）22 图 3-7载荷分布图顶梁前端比压2q为 0，顶梁后端比压3q为：3323101mbfq （mpa）(3-23) 当 lg/2xlg/3 时，载荷呈梯形分布，如上图3-6 所示。顶梁前端比压为：3b)26(21021mlglgxfq（mpa）(3-24) 顶梁后端比压为：3b)64(1021mlgxlgfq（mpa）(3-25) 支护强度为单位面积得支护阻力按下式进行计算11bsfq(t/2m) (3-26) 式中 s:顶梁前端至煤壁的距离b1

44、：支架支护强度（支架间距）不同高度求得支护强度q成都理工大学毕业设计（论文）23 3.4.7 底座接触比压底板条件的变化， 底座的接箸比压很不均匀， 为计算方便起见， 假设底座与底板均匀接箸且为线性载荷分部。底座对底板的比压值应小于底板的抗压强度，否则底座会陷入底板， 造成移架困难， 顶底板移动量增大， 支架失稳及支承力降低等现象。支架技术特征中给出的底座与底板的平均比压值为：0p=dbdlr(mpa) (3-27) 式中0p：平均比压（ mpa）r：底座对底板的合力（n）dl:底座长度（m）db：底座当量宽度（ m）求得0p 10.5mpa 3.4.8 支架受力的影响因素（1） 角度对支架受

45、力的影响液压支架，由于支护高度的变化，使平衡千斤顶的角度，立柱的支承角度，掩护梁及四连杆机构的角度等的不同，支架受力也不同。接近支护高度最高处，顶梁受力最大，支护效率最高，其支护效率为顶梁合力与工作阻力之比。（2）系数对支架受力的影响液压支架在实际工作中的摩擦系数是一个不定值，一般钢对岩石的摩擦系数为 0.20.3，根据计算表明，摩擦系数增大，对支架受力有利，使底座的底比压分布较好。（3）千斤顶的推拉力对对支架的受力影响平衡千斤顶为拉力时， 顶梁后端比压增大， 可增强切顶能力， 底座比压分布状态较好，连杆受力较小；平衡千斤顶为推力时，合力作用点前移，可增加前端支护能力，此时底座前端比压增大，连

46、杆力增。（4）作用力对支架受力的影响成都理工大学毕业设计（论文）24 煤块作用力增加，使支护强度，支护效率和切顶能力减小， 同时连杆力减小，底座比压分布改善和增加支架纵向稳定性。（5）支架强度计算应考虑的因素由于支护高度， 摩擦系数， 平衡千斤顶和煤块作用对支架受力有明显的影响，在支架强度计算时，对不同的受力杆件应参考实际使用中产生的最恶劣状态选择支护高度，平衡千斤顶推拉力，摩擦系数的数值进行计算。3.5 强度条件(1) 强度校核均从材料的屈服极限计算安全系数(2) 结构件，销柱，活塞杆的屈服极限及强度条件 各结构件受力普通低合金结构钢为15mnvn钢板焊接成，取极限4500kg/2 主要销柱

47、均采用合金结构钢为35crmo 元钢，取屈服极限5500 kg/2 活塞杆均采用 45 钢，取屈服极限 3600 kg/2 以上主要件的强度条件为n = m ax/sn其中m a x:危险断面计算出的最大应力n：许用安全系数(3) 缸体材料采用 27simn 无缝钢管，取抗拉强度 1000 kg/2强度条件为n = b/,式中缸体许用应力 kg/2(4) 焊接抗拉强度取b= 5500 kg/2 ,其强度条件为n=b/n 其中 t计算出的焊接应力(5) 许用挤压应力按下式进行计算0 = 0.75st(6) 各结构件钢板应选用标准尺寸成都理工大学毕业设计（论文）25 (7) 安全系数，各安全系数如

48、下所示前梁：1.1 顶梁：1.1 底座：1.1 掩护梁： 1.3 活塞杆 1.4 前连杆：1.3 后连杆：1.3 立柱：1.3 缸体：3.3 焊缝：3.3 注：顶梁底座安全系数为1.1，主要考虑加载时加载到工作阻力1.1 倍，掩护梁、连杆、销轴不能进行加载强度校核，为便于安全取1.3，各结构件计算出来的安全系数如果偏大时可按标准钢材厚度减小，或减少钢板筋数量， 筋板高度，使安全系数不要超过太大，以减轻支架重量，降低成本。根据计算表明改变结构件高度对强度影响较大，改变结构件钢板厚度对强度影响较小，在设计时可根据结构件具体情况进行考虑。液压支架前顶梁掩护梁四连杆底座等都属于焊接结构件， 它们的强度

49、都决定于液压支架工作阻力及钢板和焊缝的许用应力。为了保证它们有足够的强度， 就需根据力学原理进行计算。成都理工大学毕业设计（论文）26 第 4 章液压支架三维建模与运动仿真4.1 三维建模及装配目前,许多国内外的大型辅助设计软件都包含了机械的虚拟装配和运动仿真的模块 ,如国外ptc公司的 pro/mechanism, eds 的ug, matra 的euclid 和国内的 caxa 等,这些都给设计人员提供了更完善的机械设计途径。本文主要基于美国 ptc 公司的 pro/e (wildfire) 软件,对四柱支撑掩护式液压支架进行了三维建模与运动仿真。 建模采用自下而上的原则进行设计，即先建立

50、液压支架各零件及部件的三维模型， 然后对其进行总体装配。 在支架建模过程中主要用到了拉伸、旋转、扫描、阵列、镜像等特征工具，对于某一特定特征，其经常可以由多种不同的方法来生成，此时就要选取最合理的方法进行操作。4.1.1 液压支架零件建模下面以液压支架前连杆的设计为例详细说明自上而下的设计方法。启动pro/e ，新建文件：选 “ 零件”/ “ 实体” ， 文件名默认。我们可以使用拉伸等方法建立液压支架的第一个构件前连杆，如图 4-1所示；图4-1 前连杆选择“ 文件”/ “保存副本 ” ，输入新文件 “qianliangan ”。然后继续生成其余零件模型。成都理工大学毕业设计（论文）27 根据

51、以上原则分别建立了顶梁、底座等部件的整体模型， 如图所示。 根据彼此之间的装配和约束关系逐个进行组装，完成液压支架的虚拟装配。图 4-2 顶梁图 4-3 底座图 4-4 掩护梁成都理工大学毕业设计（论文）28 图 4-5 后连杆以上为液压支架主要零件图，在生成零件三维模型的基础上,可以对其进行装配。4.1.2 液压支架装配虚拟装配是零部件通过相互之间的定位关系装配在一起的。在装配时 , 系统还提供了零件的编辑修改功能,不管如何编辑和在何处编辑零部件, 整个装配部件保持关联性 , 如果修改某些零部件 , 则引用它的装配件自动更新,反应它的最新变化。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的

52、约束。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束。以连杆装配为例。装配步骤如下 : (1) 选择 文件/ 新建 命令, 在新建对话框类型选项中选取组件 模块, 子类型选项中选取设计 ,取消使用缺省模板。(2) 选择 插入/ 元件/ 装配 命令, 调入零件模型。(3) 给零件施加定位约束。(4) 选择 插入/ 元件/ 装配命令 ,调入零件。(5) 给零件进行装配定位。类似方法 ,对其他零件进行装配，完成零件三维模型。零件的准确装配是液压支架运动仿真的前提,装配关系的正确与否直接影响着液压支架运动仿真能否正确实现。 由于液压支架机构动态仿真时各构件之间存在相对运动 ,所以零件的装配只能部

53、分约束。根据构件间的相对运动情况,通过设成都理工大学毕业设计（论文）29 定各种连接来限制构件的自由度。pro/mechanism 装配模块提供的连接方式主要有刚性、销钉、滑动杆、柱面、平面、球、焊接、轴承等。装配时首先要确定运动各构件及其相互间的运动关系和运动副。然后通过选择构件及其相应的运动副组成机构 ,最后由各机构组成完整的液压支架模型。综以上所述对零件进行装配完成后零件图如图4-6，4-7 所示。图 4-6 液压支架模型成都理工大学毕业设计（论文）30 图 4-7 液压支架模型4.2 运动仿真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

54、 ,该模块既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。由于液压支架运动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，底座是静止的，其余部件可以移动。将驱动电动机放在活塞上， 以活塞轴线作为连接轴， 然后根据各个活塞杆的形成和运动时间，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

55、运动仿真的其实长度和帧数等，即可播放完成的动画。根据各自所需要的时间,各个伺服电动机的运动关系问题,使液压支架的整个工作循环动态模拟能顺利地按工作顺序完成。成都理工大学毕业设计（论文）31 如图4-8所示，进入“ 应用程序（ p）” 的“ 机构” 进行电动机设置运动时间等参数设置。图4-8 运动仿真插入伺服电动机，进行时间，速度等参数设置，如图4-9 所示。图 4-9 电动机参数设置设置完成后，进行仿真运动，保存视频。成都理工大学毕业设计（论文）32 4.3 运动分析在液压支架零、部件装配和运动仿真完成后，就可以利用pro/e 对设计的实行模型进行干涉检验， 包括静态检查和动态检查等等。 静态

56、检查是检查各零件之间相对位置是否存在零部件之间的运动干涉。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，并可以将其变化趋势通过图形表示出来，这样更直观，更具体反应液压支架的某些运动特征，方便设计者记录。选择绘制曲线命令，便可以绘制一些特殊点的运动曲线。如下图4-10为速度与时间的关系图。图 4-10 速度与时间关系从图可以看出液压支架是匀速运动的，斜率不变。 当支架到达顶端后， 液压支架停止运动，而后又匀速下降。以顶梁顶点为例进行位置，速度，加速度分析得到一下图形。成都理工大学毕业设计（论文）33 图 4-11 位置

57、与时间关系图上图为顶梁顶点位置随着时间的变化曲线。图 4-12 速度与时间关系图示为顶梁顶点速度随着时间变化的曲线。成都理工大学毕业设计（论文）34 图 4-13 加速度与时间关系图示表示为顶梁定点加速度随着时间变化的曲线。成都理工大学毕业设计（论文）35 结论毕业设计是我们作为学生在校学习期间最后的教学环节，是一个对毕业生专业基础知识、研究能力、自学能力、创新能力以及各种综合能力的检验和再提高。通过毕业设计工作， 使我进一步巩固和加强对基本知识、基本技能的掌握， 使我的自学能力、 资料查阅能力、 计算机三维软件的应用能力、创新能力及团队协作精神和吃苦耐劳精神等得到综合训练。在设计过程中虽然遇到了不少的困难，但是在老师的指导下，自己通过努力不断的克服一个又一个问题。通过这次设计对液压支架有了基本的了解，熟悉其工作原理， 并且了解了国内外关于液压支架的最新研究成果和目前世界上各种先进液压支架的特点，及液压支架在将来的发展前景。 拓宽了我的知识视野， 开阔了我的理性思维， 为我将来无论是走向工作岗位，还是继续学习深造都奠定了坚实的基础。基于pro/e的三维设计使我对于三维软件的应用进一步熟悉了，以前对于三维软件的应用还是