液壓支架的動態(tài)特性分析

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　液壓支架是地下工程或隧道工程的關(guān)鍵設(shè)備之一，它主要用于支護頂板、防止頂板垮落，為施工人員和施工設(shè)備提供一個安全可靠的工作空間。</p><p>　　在分析了傳統(tǒng)液壓支架架型的基礎(chǔ)上，通過機構(gòu)演化，研究了一種新架型——垂直導桿型液壓支架；該新型支架不僅結(jié)構(gòu)簡單、重量輕和調(diào)架容易，而且可極大地改善液壓支架

2、的受力狀況，提高穩(wěn)定性，具有廣泛的應用前景。</p><p>　　然后，用三維參數(shù)化的設(shè)計軟件Pro/E，完成了垂直導桿型液壓支架的三維參數(shù)化造型，實現(xiàn)了Pro/E與ADAMS軟件之間的模型轉(zhuǎn)換，并利用ADAMS軟件對該液壓支架進行動態(tài)分析，得到了該支架在工作狀態(tài)下的承受載荷。</p><p>　　本文系統(tǒng)地研究分析垂直導桿型液壓支架新架型，并采用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)和方法進行設(shè)計，縮短了液壓支架

3、的研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了成本，對今后的液壓支架產(chǎn)品的研究與開發(fā)具有指導意義和參考價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：液壓支架；垂直導桿機構(gòu)；三維參數(shù)化；虛擬樣機；動態(tài)特性</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Hydraulic power support used in the undergrou

4、nd 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

5、underground.</p><p>　　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 no

6、t 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.</p><p&

7、gt;　　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 so

8、ftware, and then obtain the dynamic analysis of the hydraulic support in the ADAMS software.</p><p>　　This paper analysis the vertical guide bar type hydraulic support new frame type, and adopts the modern d

9、esign 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

10、 the instruction meaning and reference value.</p><p>　　Keywords: hydraulic power support; vertical guide-bar; three-dimensional parametric; Virtual Prototyping; Dynamic property</p><p><b>

11、　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第一章 概 述1</p><p>　　1.1 國內(nèi)外液壓支架的研究與應用現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.1 國外液壓支架研究水平1<

12、/p><p>　　1.1.2 國內(nèi)液壓支架研究水平2</p><p>　　1.1.3 國內(nèi)外液壓支架研究與應用中存在的問題3</p><p>　　1.2 本課題的確立及其研究意義3</p><p>　　1.2.1 本課題的確立3</p><p>　　1.2.2 本課題的研究意義4</p><

13、p>　　1.3 本課題的研究內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點5</p><p>　　1.3.1 研究內(nèi)容5</p><p>　　1.3.2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點5</p><p>　　1.4 本章小結(jié)5</p><p>　　第二章 垂直導桿型液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計6</p><p>　　2.1 典型液壓支架架型的分

14、析與比較6</p><p>　　2.1.1 垛式液壓支架6</p><p>　　2.1.2 四連桿型液壓支架6</p><p>　　2.1.3 單擺桿型液壓支架7</p><p>　　2.1.4 垂直導桿型液壓支架8</p><p>　　2.2 支架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定8</p><p&

15、gt;　　2.3 液壓支架主體部件結(jié)構(gòu)設(shè)計9</p><p>　　2.3.1 底座設(shè)計9</p><p>　　2.3.2 頂梁設(shè)計15</p><p>　　2.4 本章小結(jié)16</p><p>　　第三章 垂直導桿型液壓支架三維參數(shù)化設(shè)計17</p><p>　　3.1三維建模軟件PRO/E17<

16、/p><p>　　3.2液壓支架三維實體參數(shù)化建模18</p><p>　　3.2.1 建模方法簡介18</p><p>　　3.2.2 液壓支架各部件的三維建模19</p><p>　　3.2.3 液壓支架的整機虛擬裝配23</p><p>　　3.3本章小結(jié)24</p><p>　　

17、第四章 液壓支架虛擬樣機與仿真25</p><p>　　4.1 虛擬樣機技術(shù)25</p><p>　　4.2 液壓支架力學模型的建立26</p><p>　　4.3 支架虛擬樣機模型的建立28</p><p>　　4.4支架樣機工況動態(tài)仿真32</p><p>　　4.5 液壓支架簡易有限元分析36&l

18、t;/p><p><b>　　第五章 結(jié)論38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　第一章 概 述</b></p><p>　　液壓支架是地下工程或隧道工程的關(guān)鍵設(shè)備之一，它主要用于支護頂板，防止頂板垮落，為施工人員和施工設(shè)

19、備提供一個安全可靠的工作空間。與其他支護設(shè)備相比，液壓支架具有支護、移架、調(diào)架、推溜等多種功能。由于其自動化程度高，工作安全可靠，可極大地降低操作人員的勞動強度、提高生產(chǎn)效率，故在一些大中型地下工程或隧道工程中被廣泛使用。然而，隨著國家建設(shè)的飛速發(fā)展，工程施工規(guī)模不斷擴大、施工進程不斷加快、自動化程度也越來越高，而地下巖層的物理性質(zhì)復雜多變，客觀上對液壓支架提出了越來越高的要求[1]。為了滿足現(xiàn)代地下工程施工要求，多年來，國內(nèi)外的同行及

20、專家對液壓支架的研究從未間斷，并不斷取得新的研究成果。為此，研制并開發(fā)新型的液壓支架就具有非常重要的實際意義。</p><p>　　液壓支架能實現(xiàn)支撐、切頂、自移和推溜等工序，與大功率采煤機、大運量的可彎曲刮板輸送機組成回采工作面的綜合機械化設(shè)備。由于液壓支架具有支護性能好、強度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點，所以它的使用可極大地降低操作人員的勞動強度、提高生產(chǎn)效率和保證生產(chǎn)的安全，故在一些大中型地下工程或隧道工

21、程中被廣泛使用。因此液壓支架是實現(xiàn)采現(xiàn)代工程機械化和自動化不可缺少的主要設(shè)備。</p><p>　　液壓支架的設(shè)計過程正從傳統(tǒng)的平面繪圖設(shè)計階段，逐漸的轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化的三 維設(shè)計與虛擬樣機設(shè)計階段。在新的設(shè)計方法中，三維設(shè)計與虛擬樣機技術(shù)檢驗設(shè)計修改設(shè)計變得簡單易行，在計算機里做出虛擬的樣機，模擬其性能參數(shù)，而不需要做出實際的樣機。PROE軟件和ADAMS正是三維設(shè)計和虛擬樣機軟件的代表。本設(shè)計以此展開。</p

22、><p>　　1.1 國內(nèi)外液壓支架的研究與應用現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1 國外液壓支架研究水平</p><p>　　20世紀80年代以來，世界主要施工機械生產(chǎn)商積極開發(fā)和應用新技術(shù)，著眼于高性能、高可靠性的新的重型液壓支架的研制。國外液壓支架的總體發(fā)展趨勢是：向兩柱掩護式和四柱支撐掩護式架型發(fā)展，架型結(jié)構(gòu)進一步完善，設(shè)計方法更先進，參數(shù)向高工作阻力、大中

23、心距（1.75m、2m）發(fā)展，結(jié)構(gòu)件材料越來越多地采用高強度鋼材，支架的壽命和可靠性大大提高，有些公司要求支架的耐久性試驗循環(huán)次數(shù)達50000次，支架的壽命達14年以上。</p><p>　　液壓支架技術(shù)的另一重大突破是控制系統(tǒng)[2]。應用電液控制技術(shù)，采用電磁控制的先導閥，先進可靠的壓力和位移傳感器，靈活自由編程的微處理機技術(shù)，紅外遙感技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，使液壓支架的動作自動連續(xù)進行，移架速度大大提高。<

24、/p><p>　　美國早在1990年就已采用額定壓力50MPa、額定流量478L/min的乳化液泵站，以實現(xiàn)液壓支架快速推進，移架速度達6～8s/架，使用壽命8～10年，可用率高達95%～98%，支架平均工作阻力6470kN（最大為9800kN)，支架寬度普遍增大，中心距達到1.75m，并向2m發(fā)展。增大架寬有利于減少工作面架數(shù)、縮短移架時間、增加有效工作時間和提高單產(chǎn)。澳大利亞使用的液壓支架平均工作阻力已達到764

25、0kN[3]。</p><p>　　1.1.2 國內(nèi)液壓支架研究水平</p><p>　　我國從20世紀60年代末70年代初開始液壓支架的研制工作，由科研單位和使用單位充分合作，在引進吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，一同開發(fā)研制，使我國液壓支架的設(shè)計制造水平有了很大提高。由最初引進單一的垛式支架發(fā)展成能生產(chǎn)重型、輕型、大傾角和無人操作等多品種的支架，支架的型式、結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)更加趨于合理和完善

26、。</p><p>　　目前，國內(nèi)液壓支架正朝著重型、高強、快移和電液控制的方向發(fā)展。主要表現(xiàn)為：</p><p>　?。?）液壓支架對不同的地質(zhì)條件表現(xiàn)出良好的適應性，很好地解決了硬頂板、硬底板、軟頂板、軟底板等難題。</p><p>　?。?）支架的立柱缸徑由最初的φ140mm增大到φ360mm，立柱的工作阻力由600kN/柱（p=39MPa）增加到3970kN

27、/柱，立柱的型式由單伸縮加機械加高立柱發(fā)展到雙伸縮和三伸縮立柱，相應的支架工作阻力也有較大幅度的提高，兩柱式支架的工作阻力由最初的2000kN/架增大到現(xiàn)在的6000kN/架，四柱式支架的工作阻力由2800kN/架增大到10000kN/架。</p><p>　?。?）支架的支護高度也有大幅度提高，最高支架的支撐高度達到2.5～5.0m。</p><p>　?。?）以前國內(nèi)絕大部分支架所用板

28、材為屈服極限強度為350MPa的16Mn鋼板，這種板材焊接性能好，但強度低，導致支架較重。國內(nèi)從20世紀90年代中期開始研究高強度板材的焊接工藝，經(jīng)過幾年的努力，屈服極限強度450MPa和550MPa的鋼板焊接工藝已經(jīng)成熟，在國內(nèi)液壓支架上普遍應用。而屈服極限強度為700MPa的高強鋼板焊接工藝也已經(jīng)解決，并成功應用于部分國產(chǎn)支架。</p><p>　　1.1.3 國內(nèi)外液壓支架研究與應用中存在的問題</

29、p><p>　　近年來由于種種原因，國內(nèi)外一些研究開發(fā)機構(gòu)大都把研究重心放在了重型、高強、智能化的液壓支架上，卻忽略了量大面廣的輕型液壓支架的開發(fā)與研制，從而曾一度出現(xiàn)了產(chǎn)品類型與市場需求不相適應的矛盾。目前，工程施工中最常用的幾種典型架型主要有：垛式液壓支架、四連桿型液壓支架、單擺桿型液壓支架等，這些都屬于比較大型的液壓支架。大型液壓支架重量大，投入資金多，價格昂貴，一般中小客戶經(jīng)濟上難以承受；對于中小型隧道或工作

30、面，大型支架根本運不下去，即使運下去，也難以充分發(fā)揮其生產(chǎn)效率。近年來，盡管在一些地方使用了滑移頂梁液壓支架或懸移頂梁液壓支架，但由于這兩種架型均存在著頭重腳輕，插底嚴重，自身穩(wěn)定性差，移架和調(diào)架困難，使用技術(shù)不易掌握等問題，致使其實際應用受到很大限制。在這種情況下，研究開發(fā)一種安全性高，整體性好，操作方便，適應性強，體積小，重量輕，便于運輸安裝的輕型液壓支架，自然就成了擺在專業(yè)人士面前的一個突出的現(xiàn)實問題。</p>&l

31、t;p>　　1.2 本課題的確立及其研究意義</p><p>　　1.2.1 本課題的確立</p><p>　　鑒于目前產(chǎn)品市場的實際狀況和上述所作的分析判斷，為滿足中小型地下工程施工的安全支護需要，本文在研究傳統(tǒng)液壓支架穩(wěn)定機構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，通過機構(gòu)演化提出了一種最新架型，即垂直導桿型液壓支架，如圖1-1所示。垂直導桿型液壓支架是一款輕型液壓支架，該支架在頂梁和底座之間用垂直導

32、向機構(gòu)連接，滑套固定于底座之上，導桿與頂梁鉸接，掩護梁由掩護梁千斤頂控制。垂直導向機構(gòu)用于支架頂梁升降導向，并承載支架的縱向水平外力。該機構(gòu)可以根據(jù)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計要求在支架底座對稱線上設(shè)置1個，也可在支架底座上并排對稱設(shè)置2個。該支架具有受力合理、結(jié)構(gòu)簡單和重量輕的特點，這對于提高我國中小地下工程支護水平和開采能力是非常有益的。</p><p>　　圖1-1　垂直導桿型液壓支架</p><p&g

33、t;　　眾所周知，由于液壓支架的工作環(huán)境十分惡劣、所處的地質(zhì)條件又相當復雜，因此，液壓支架的研究和開發(fā)在很大程度上都不同于其他機械產(chǎn)品。傳統(tǒng)的液壓支架設(shè)計方法是首先進行概念設(shè)計和方案論證，然后進行產(chǎn)品設(shè)計；為了驗證設(shè)計的正確性和準確性，往往需要根據(jù)設(shè)計結(jié)果制作出產(chǎn)品樣機進行試驗，這些試驗是破壞性的，其試驗成本很高。實際上，只經(jīng)過一次試驗即獲得產(chǎn)品成功的可能性很小，而經(jīng)常需要經(jīng)過反復數(shù)次試驗，即當試驗沒有通過時，則必須修改設(shè)計并再制作樣機

34、重新進行驗證，直至產(chǎn)品達到要求的性能為止。顯然，這一過程不僅周期長、效果差、方法落后，而且研發(fā)成本高、市場應變能力差，根本無法適應現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的需要。在這種形勢下，采用全新的設(shè)計理念和先進的技術(shù)方法對垂直導桿型液壓支架進行設(shè)計，是本課題的必然選擇。而由美國PTC公司開發(fā)的Pro/Engineer三維參數(shù)化實體設(shè)計軟件和MSC公司開發(fā)的ADAMS軟件，易學易用、功能強大，為實現(xiàn)這一要求創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件。</p>&

35、lt;p>　　在本課題中，采用Pro/E軟件進行自底向上建模，實現(xiàn)該支架的三維參數(shù)化造型。運用虛擬樣機軟件ADMAS對所設(shè)計的液壓支架在各種工況下進行動態(tài)特性分析，從而對支架結(jié)構(gòu)的強度進行全面考查。根據(jù)計算得到的結(jié)構(gòu)上各處應力的分布情況，結(jié)合我國《液壓支架通用技術(shù)條件》，判斷所設(shè)計液壓支架的可靠性和經(jīng)濟性，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改進或優(yōu)化，控制支架整體結(jié)構(gòu)及其零部件的強度，減輕支架重量，提高其制作經(jīng)濟性。</p><

36、;p>　　1.2.2 本課題的研究意義</p><p>　　本課題的研究意義，集中表現(xiàn)在以下兩個方面：</p><p>　?、?垂直導桿型液壓支架，作為一種嶄新的架型，完全突破了以往支架的機構(gòu)型式，即設(shè)計了垂直導桿穩(wěn)定機構(gòu)和無活動側(cè)護板頂梁。該支架不僅由于無活動側(cè)護板，致使支架的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，特別適用于中小型地下工程施工，而且由于垂直導桿機構(gòu)的作用消除了工作過程中頂梁與

37、頂板之間的摩擦力，改善了液壓支架的受力狀況，從而提高了其整機穩(wěn)定性。新型液壓支架具有較廣闊的發(fā)展與應用前景。</p><p>　?、?本課題采用全新的設(shè)計理念和先進的設(shè)計技術(shù)，突破傳統(tǒng)液壓支架設(shè)計模式，在整個設(shè)計過程中，所有設(shè)計對象均顯示為三維立體效果，容易激發(fā)設(shè)計者的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新設(shè)計；由于采用了參數(shù)化設(shè)計PROE軟件以及虛擬樣機軟件ADAMS軟件，所以對建立的產(chǎn)品模型進行修改非常容易和快捷；從零部件設(shè)計到整機

38、組裝，從整機的運動仿真到整機動態(tài)特性，全部在計算機上完成，這樣不僅可提高產(chǎn)品的可靠性，而且可以降低成本，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期，為以后的液壓支架產(chǎn)品設(shè)計提供一種先進的設(shè)計方式和技術(shù)途徑，同時對其他機械產(chǎn)品開發(fā)也具有參考價值。</p><p>　　1.3 本課題的研究內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點</p><p>　　1.3.1 研究內(nèi)容</p><p>　?、?/p>

39、 對液壓支架穩(wěn)定機構(gòu)進行分析研究，提出并完成垂直導桿型液壓支架的設(shè)計；</p><p>　　⑵ 采用自底向上的建模方法，用Pro/E軟件實現(xiàn)該支架的三維參數(shù)化造型及虛擬裝配；</p><p>　?、?建立運動學分析模型，利用ADAMS軟件，對不同工況下的整機位置和工況進行動力學分析。</p><p>　?、?建立有限元力學分析模型，利用ANSYS軟件，對不同工況下的

40、整機受力和變形進行有限元強度分析。</p><p>　　1.3.2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點</p><p><b>　　⑴ 關(guān)鍵技術(shù)</b></p><p>　?、賱?chuàng)建垂直導桿型液壓支架的新型力學計算模型</p><p>　　②三維參數(shù)化建模的技術(shù)與方法</p><p>　?、跴ro/E軟件與ADAM

41、S軟件之間的模型轉(zhuǎn)換</p><p>　?、苓\用ADAMS虛擬樣機進行支架工況動態(tài)特性的仿真</p><p><b>　?、?創(chuàng)新點</b></p><p>　　①首次對垂直導桿型液壓支架進行系統(tǒng)分析研究</p><p>　?、趧?chuàng)建垂直導桿型液壓支架的新型力學計算模型</p><p><b&

42、gt;　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了液壓支架的用途、組成、當前國內(nèi)外研究狀況及其在應用中存在的問題，并針對應用中存在的問題，在研究傳統(tǒng)液壓支架機構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，提出了垂直導桿型液壓支架這種新型機構(gòu)型式，然后較詳細地介紹了本課題的研究內(nèi)容、意義、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點。</p><p>　　第二章 垂直導桿型液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計</p>

43、<p>　　2.1 典型液壓支架架型的分析與比較</p><p>　　液壓支架的架型在很大程度上決定著液壓支架的受力狀況、工作性能和生產(chǎn)效率，因此，對液壓支架架型的分析與研究是液壓支架設(shè)計的重要組成部分。本節(jié)將針對當前常用的垛式液壓支架、四連桿型液壓支架、單擺桿型液壓支架等幾種典型架型，以及本課題研究的垂直導桿型液壓支架，作簡要的分析比較，找出它們各自的特點。</p><p>

44、　　2.1.1 垛式液壓支架</p><p>　　垛式支架是我國最早從國外引進的一種支架型式，如圖2-1所示，它屬于無導桿、無擺桿支架，其結(jié)構(gòu)簡單，支撐能力強，適用于頂板比較完整的工作面，但該支架在設(shè)計上存在缺陷，影響了它的普及與使用。一是油缸將直接承受水平橫向力，受力不合理，嚴重影響了油缸使用壽命；二是擋矸能力差，在頂板破碎且不穩(wěn)定的場合，其維護能力明顯不足。在我國，大部分地區(qū)地質(zhì)條件復雜，對支架支護性能要求

45、較高，一些地方從引進這種支架開始，就頻頻發(fā)生事故，有的干脆就無法進行正常生產(chǎn)，所以，這種支架很快就被從生產(chǎn)工作面上淘汰下來。</p><p>　　圖2-1 垛式支架機構(gòu)</p><p>　　2.1.2 四連桿型液壓支架</p><p>　　支撐掩護式液壓支架是在支撐式支架的基礎(chǔ)上吸取了掩護式支架的特點發(fā)展起來的一種架型。它的頂梁與底座，采用掩護梁和前、后連桿連

46、接起來，形成一個四連桿機構(gòu)，使支架的剛度和抵抗水平推力的能力大大增強，是目前國內(nèi)外地下或隧道工程上主要使用的液壓支架型式。液壓支架的四連桿機構(gòu)，實質(zhì)上是雙搖桿機構(gòu)，如圖2-2所示，其特征是：以四連桿的最短桿的對邊為機架，搖桿AB和CD作往復搖擺，連桿BC上的某點E可在機構(gòu)運動過程中實現(xiàn)雙紐線的軌跡。此種機構(gòu)用于液壓支架上，通過合理設(shè)計，如圖2-3所示，可使支架頂梁前端點與前方巖壁間距離的變化大大減小，當頂板來壓時，立柱迫于壓力產(chǎn)生微小的

47、下縮，使頂梁有向前移動的趨勢，畢業(yè)設(shè)計論文代做平臺 《580畢業(yè)設(shè)計網(wǎng)》 是專業(yè)代做團隊 也有大量畢業(yè)設(shè)計成品提供參考 www.bysj580.com QQ3449649974可防止巖石向后移動，頂板給頂梁一個向后的水平推力，同時，為阻止底座向后移動，底板給底座一個向前的水平推力，從而使支架產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，因而增加了頂梁前端的支護力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且使底座前端比壓減小，防止“啃底”，有利于移架。</p&

48、gt;<p>　　另一方面，由于四連桿型液壓支架在升架或降架過程中頂梁前端軌跡為雙紐線，所以其在工作中頂梁與頂板之間就存在相對運動，進而產(chǎn)生摩擦力，使得支架合力作用點位置變化范圍較大，影響了支架的穩(wěn)定性。另外，對于四連桿機構(gòu)的設(shè)計也相對比較復雜，如果設(shè)計不好，還會增加支架的內(nèi)力，影響液壓支架的強度。</p><p>　　圖2-2　雙搖桿機構(gòu) 　　圖2-3　四連桿型液壓支架<

49、;/p><p>　　2.1.3 單擺桿型液壓支架</p><p>　　單擺桿型液壓支架是20世紀90年代初期在我國出現(xiàn)的一種支架型式[2]，如圖2-4所示。單擺桿是該類型支架的穩(wěn)定機構(gòu)，抗扭能力較四連桿機構(gòu)弱；另外在升架或降架過程中，頂梁端頭運動軌跡是圓弧曲線，頂梁與頂板之間有相對運動，從而使得頂梁與頂板之間產(chǎn)生摩擦力，使得支架合力作用點位置變化范圍較大，既不利于頂板維護又降低了支架的穩(wěn)定性

50、。</p><p>　　圖2-4 單擺桿型液壓支架</p><p>　　2.1.4 垂直導桿型液壓支架</p><p>　　垂直導桿型液壓支架是本課題所要研究的新架型，它具有以下優(yōu)點：</p><p>　　(1) 滑套與導桿的中心線垂直于底座下底面，在升架或降架過程中，頂梁前端運動軌跡是與滑套中心線相平行的一條直線，支架前梁的空頂距可以更小

51、,頂梁前端與前方巖壁的距離可以定量控制，封閉性良好，可以更好地控制頂板。</p><p>　　(2) 垂直導桿型液壓支架的垂直導向機構(gòu)，無論在結(jié)構(gòu)的復雜程度還是在其設(shè)計的難度上，都比四連桿機構(gòu)簡單得多，加工制造也很容易，從而可降低支架的設(shè)計成本和加工成本，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟效益。</p><p>　　(3)垂直導桿型液壓支架在頂梁上升或下降的過程中，頂梁與頂板之間沒有沿水平方向的相對運動，從根

52、本上消除了頂板與頂梁之間的摩擦力，使得合力作用點的位置變化范圍較小，極大地提高了液壓支架的穩(wěn)定性。</p><p>　　(4) 導桿與頂梁鉸點距頂梁前后兩端較近，可使梁體抗扭或抗偏載能力大為提高。</p><p>　　(5) 垂直導桿型液壓支架的掩護梁直接由掩護梁千斤頂控制，較四連桿型液壓支架增加了后部工作空間，有利于后部輸送機的維護。</p><p>　　(6)

53、垂直導桿型液壓支架具有尺寸小、重量輕，有利于在中小型地下工程推廣使用，這對于提高我國中小地下工程支護水平是非常有益的。</p><p>　　通過以上分析和比較，垂直導桿型液壓支架無論是在其安全性、穩(wěn)定性、適用性等方面，還是在經(jīng)濟性方面，都有著比較明顯的優(yōu)點或優(yōu)勢，因此該架型的研究與開發(fā)必定會取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。</p><p>　　2.2 支架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定</p&g

54、t;<p>　　我們在進行了大量調(diào)研和參照其他類型支架的基礎(chǔ)上，為了滿足液壓支架具有足夠的初撐力和工作阻力、足夠的通風斷面、足夠?qū)挼娜诵械赖纫螅_定了該支架的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 支架結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　?、?頂梁長度取2600mm，厚度取230mm；</p><p>　　⑵ 伸縮梁的伸縮長度為550

55、mm；</p><p>　?、?底座長度為1600mm，厚度取250mm；</p><p>　　⑷ 支架的寬度取1100mm；</p><p>　?、?支架支撐工作阻力定為：2000KN，采用四柱支撐，每根立柱的工作阻力為500kN，支架最低高度1.6m，最高支護高度2.4m。</p><p>　　2.3 液壓支架主體部件結(jié)構(gòu)設(shè)計</

56、p><p>　　2.3.1 底座設(shè)計</p><p>　　2.3.1.1 底座型式的選擇</p><p>　　底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。因此，底座除滿足一定的剛度和強度要求外，還要求對底板的起伏不平的適應性要強，對底板接觸比壓要小，要有足夠的安裝立柱、液壓裝置，推移裝置和其它裝置，要便于人員操作行走；能起一定的擋矸排矸任用；要有一定的重量，以保證支

57、架的穩(wěn)定性等。</p><p>　　支架底座常用型式有3種，即整體剛性底座、底分式剛性底座和鉸接分體式底座[2]。如2-6所示。</p><p>　　圖2-6 底座的結(jié)構(gòu)型式</p><p>　?、耪w剛性底座在立柱柱窩前要設(shè)置過橋，以提高底座的整體剛性和抗扭能力。整體剛性底座的整體強度和剛度好，底座接觸面積大，有利于減小底板的比壓，但推移機構(gòu)處易積存碎矸，清理較困

58、難，一般用于軟底板條件下工作面支架。圖2-6-a所示的底座用于支撐式支架，箱體高度高，便于安裝復位裝置。圖2-6-b所示的底座高度低，占用空間小，一般用于掩護式或支撐掩護式支架。</p><p>　　⑵對分式剛性底座的底板是中分式的，為適應底板起伏不平的變化，通常把底座制成前、后或左、右對分式，圖2-6-c、d所示，分別為前后兩個底座的對分式，兩者通過銷軸與彈簧鋼板鉸接而成，圖2-6-e為左、右兩個底座箱的對分式

59、，兩者用過橋彈簧和銷軸等連接。</p><p>　?、堑籽ナ?底靴式底座的特點是每根立柱支承在一個底靴上，立柱之間用彈簧鋼板連接，立柱與底靴之間用銷軸連接，如圖2-6-f所示。這種結(jié)構(gòu)輕便，動作靈活，對底板不平整適應性強。但剛性差，與底板接觸面積小，穩(wěn)定性差，一般用于節(jié)式支架上。</p><p>　　為了保證底座整體性強、強度高、比壓小等性能，此次垂直導桿液壓支架的設(shè)計選用整體剛性底座。&

60、lt;/p><p>　　2.3.1.2 底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計</p><p>　　底座選擇三腔室局部開口的截面，采用4條主筋板組成三腔室，其中左右兩腔室封閉，中間開口，這樣可以安裝前推移機構(gòu)。導向筒采用鋼板焊接成“回”字形，導向筒的下部做成嵌入式的“H”字形，將底座左右兩腔室連接在一起，如圖2-7所示，下部與底板焊接在一起，這樣增加了底座的抗扭能力，同時使導桿機構(gòu)抵抗水平力的能力大大增強，也能夠使

61、前推移機構(gòu)來回運動。在底座的后部設(shè)有一塊蓋板，焊接有掩護梁千斤頂?shù)膬蓚€柱窩，增加了底座的抗扭、抗彎能力。這樣在底座前部有過橋，中部有導向筒，后部有蓋板，大大地增加了底座的抗扭能力。為了防止導向筒上部焊接處在工作中被撕裂，將一個“回”字形鋼板焊接在導向筒的上部，增加了導向筒的強度。</p><p>　　圖2-7 套筒截面圖</p><p>　　2.3.1.3 底座的強度校核</p&g

62、t;<p>　　在液壓支架的研制，試驗過程中，各構(gòu)件的強度計算是極為必要的。由于液壓支架的結(jié)構(gòu)特點，外載荷特點以及使用條件的特殊性，在強度計算中的強度條件也有其特殊性。當然強度條件要以現(xiàn)階段液壓支架所選用的材料、制造工藝以及失效形式等為依據(jù)，隨著時間的推移，如果上述諸點有變，強度條件也必須作相應的調(diào)整。</p><p>　　我國液壓支架強度計算中的強度條件：</p><p>

63、　?、?度校核均以材料的屈服極限計算安全系數(shù)；</p><p>　?、?構(gòu)件、銷軸、活塞桿的屈服極限及強度條件；</p><p>　　⑶ 構(gòu)件通常采用16Mn等普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，并由具有標準厚度的鋼板焊接而成，?。?50MPa；</p><p>　?、?構(gòu)件、銷軸和活塞桿的強度條件[4]為：</p><p><b>　　(2.1)&

64、lt;/b></p><p>　　式中――險斷面計算出的最大應力，</p><p><b>　　――用安全系數(shù)</b></p><p>　　圖2-8底座受兩端載荷時的受力簡圖</p><p>　　依據(jù)圖所示相關(guān)參數(shù),由得：</p><p><b>　　(2.2)</b>

65、</p><p><b>　　由得：</b></p><p><b>　　由得：</b></p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　?。?）底座受集中載荷強度校核，根據(jù)相關(guān)參數(shù)得到底座的受力圖，如圖2-9所示。</p><p>　

66、　由圖2-9受力分析得：</p><p><b>　　（2.4）</b></p><p><b>　　（2.5）</b></p><p><b>　　由此得：</b></p><p><b>　　2197.8kn</b></p><p&

67、gt;<b>　　659.34kn</b></p><p>　　-601.77kn </p><p>　　根據(jù)各力大小和作用位置，分別作出底座剪力圖、彎矩圖如圖2-9。</p><p>　　圖2-9 底座受集中載荷時的受力簡圖</p><p>　　底座彎曲強度計算如下:</p><p>　　在支架

68、受力分析中知道，底座前柱窩處的截面是一個危險截面，截面形狀如圖所示，最大彎矩為568.11kN.m，以下對這個危險截面進行強度校核。</p><p>　　圖2-10 底座危險截面</p><p>　?、儆嬎愀鹘孛娴拿娣e及形心 </p><p>　　由計算得知，按彎壓聯(lián)合計算，不如按最大彎曲應力計算應力大。為了安全，采用最大彎曲應力進行校核

69、。</p><p>　　計算截面面積F及截面形心至a－a面的距離y</p><p>　　全部厚度為δ＝16mm</p><p>　　首先對每塊鋼板編號，把位置狀態(tài)相同和截面積相同的鋼板編成一個號，然后計算截面面積最后計算截面形心距即：</p><p><b>　　已知：</b></p><p>　

70、　L1=1100mm;</p><p><b>　　L2=250mm;</b></p><p><b>　　L3=250mm;</b></p><p>　　計算截面的面積及形心.</p><p>　　F1=L1δ1=1×0.016=0.016 y1=δ/2=0.008m

71、m</p><p>　　F2=L2δ2=0.25×4×0.016=0.016 y2=δ+L2/2=0.141mm</p><p>　　F3=L3δ3=2×0.25×0.016=0.008 y3=δ+δ/2+0.25=0.274mm</p><p><b>　　（2.6）</b></p

72、><p>　　每個零件中心到截面形心的距離：</p><p>　　②計算各截面的慣性矩</p><p>　　矩形截面的慣性矩為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　式中b－截面寬度</b></p><p><

73、b>　　h－截面高度</b></p><p>　　計算每個零件的對截面形心的慣性矩</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　③計算抗彎截面模量為</p><p>　?。?.10）

74、 （2.11）</p><p>　　查閱液壓支架相關(guān)標準[5]，得到其安全系數(shù)如表4－1所示</p><p>　　表4－1 安全系數(shù)表</p><p>　　底座所選材料為16

75、wn，［δ］=δs/1.1=340/1.1=309.1MPa</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p><b>　　滿足強度要求；</b></p><p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　　滿足強度要求。</b

76、></p><p>　　其中:——底座上蓋板處的應力；</p><p>　　——底座下蓋板處的應力滿足強度要求。</p><p>　　2.3.2 頂梁設(shè)計</p><p>　　此次垂直導桿液壓支架頂梁的設(shè)計選用對稱的五腔室箱形截面，并在頂梁上增加了耳座以便與垂直導桿連接；將柱窩焊接在頂梁下蓋板上，這樣可以增加頂梁的強度，也便于加工制造

77、，如圖2-12所示。為了增加頂梁的抗扭能力，布置了多道橫筋。由于支架在使用或作強度試驗時，柱窩附近的應力較大，因此將柱窩分別放置在左2和右2縱筋與橫筋的交接處，并且在交接處用兩塊斜筋板進行焊接，以提高頂梁在柱窩附近的強度。</p><p>　　圖2-11 對稱五腔式截面</p><p>　　圖2-12 頂梁結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　頂梁整體采用14mm、16m

78、m及20mm的16Mn鋼板，強度校核符合要求。</p><p>　?。?28.49（Mpa）< 309.1Mpa（2.14）</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先對跺式液壓支架、四連桿型液壓支架、單擺桿型液壓支架和垂直導桿型液壓支架四種架型進行了分析比較，闡述了垂直導桿型液壓支

79、架的特色和優(yōu)點，并對垂直導桿型液壓支架的底座、頂梁進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核。</p><p>　　第三章 垂直導桿型液壓支架三維參數(shù)化設(shè)計</p><p>　　參數(shù)化設(shè)計近年來已經(jīng)成為機械CAD系統(tǒng)的重要開發(fā)手段，并在工程實際中得到廣泛應用。三維參數(shù)化設(shè)計，其實質(zhì)就是在不同的幾何元素或特征之間建立各種尺寸關(guān)聯(lián)或幾何約束關(guān)系，使設(shè)計者可以更好的表達設(shè)計意圖，更加靈活的對模型進行修改[5]。使

80、用三維參數(shù)化設(shè)計，不僅可以提高產(chǎn)品的設(shè)計效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高設(shè)計質(zhì)量、降低設(shè)計成本，而且可使設(shè)計人員騰出更多的時間進行創(chuàng)造性思維，滿足不同用戶的不同需求。</p><p>　　三維參數(shù)化技術(shù)允許設(shè)計者在創(chuàng)立特征時靈活方便的定義特征尺寸標注，并在特征尺寸之間通過建立數(shù)學方程式為驅(qū)動尺寸來建立零件之間的相互關(guān)聯(lián)性。尺寸之間的關(guān)聯(lián)可以是模型內(nèi)部尺寸或設(shè)計者自行定義的各種外觀參數(shù)間的關(guān)系，設(shè)計者可以通過修改驅(qū)動尺

81、寸和模型，由系統(tǒng)自動求解其他尺寸的值，這種方法稱為尺寸驅(qū)動。它的最大特點是尺寸被修改時可以自動保證設(shè)計者的設(shè)計意圖不變，并保證圖形的準確、完整和易于修改，其實質(zhì)就是基于對圖形數(shù)據(jù)的操作，因此繪制一張圖的過程，就是在建立一個參數(shù)模型。系統(tǒng)將圖形映射到圖形數(shù)據(jù)庫中，設(shè)置出圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，參數(shù)驅(qū)動時將在這些結(jié)構(gòu)中填寫不同內(nèi)容。</p><p>　　近年來，Pro/E在我國的東部及南部地區(qū)被廣泛應用于航空航天、機械、電子

82、、模具、工業(yè)設(shè)計、家用電器等行業(yè)。實踐證明，采用Pro/E軟件進行產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)，可有效地提高產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和合格率，縮短開發(fā)周期，提升產(chǎn)品的市場競爭力，并為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，因此，Pro/E是工程技術(shù)人員從事現(xiàn)代設(shè)計的最佳選擇。在本課題中，本人選擇了Pro/E三維參數(shù)化實體設(shè)計軟件，完成了垂直導桿型液壓支架的整機三維實體造型和虛擬裝配，為后面的結(jié)構(gòu)有限元分析奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　

83、3.1三維建模軟件PRO/E</p><p>　　當前國內(nèi)流行的三維參數(shù)化軟件有達索公司的solidworks, catia歐特克公司的inventor，3Dmax,PTC公司的Pro/Engineer等等。Pro/Engineer是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corpor

84、ation，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地 位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。此處我們選用Pro/Engineer進行三維建模，其核心特點[6]有：</p><p>　?、?基于特征建模：特征是一種集成對象，用于在更高層次上表達產(chǎn)品的功能和形

85、狀信息。在Pro/E中，特征是指所有的實體和對象，如孔、筋、圓角、倒角、抽殼等，特征是由參數(shù)驅(qū)動的。</p><p>　?、?參數(shù)化設(shè)計：所謂參數(shù)化是指特征之間具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，這種關(guān)系可通過一定的參數(shù)（既可以是變量，也可以是關(guān)系式）來表示。當外部變量發(fā)生改變時，受其影響的參數(shù)也會自動發(fā)生相應變化。參數(shù)化設(shè)計實際上是通過尺寸驅(qū)動來實現(xiàn)的。所謂尺寸驅(qū)動就是以模型的尺寸來決定模型的形狀。一個模型是由一組具有一定關(guān)聯(lián)

86、關(guān)系的尺寸進行定義的。Pro/E中定義的參數(shù)包括幾何形狀參數(shù)和定位尺寸參數(shù)兩種。</p><p>　?、?全數(shù)據(jù)相關(guān)性：Pro/E的所有模塊都是全相關(guān)的，這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括零件模型、裝配體、工程圖、制造數(shù)據(jù)等。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一時刻進行設(shè)計修改，且不會產(chǎn)生任何損失，使并行工程成為可能。</p><p>

87、;　?、?單一集成數(shù)據(jù)庫：與一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)所不同的是，Pro/E是建立在單一數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)之上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中所使用的數(shù)據(jù)信息全部來自一個數(shù)據(jù)庫，整個系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)據(jù)相關(guān)，從而可使每個獨立用戶同時開發(fā)同一件產(chǎn)品，實現(xiàn)協(xié)同工作。</p><p>　　近年來，Pro/E在我國的東部及南部地區(qū)被廣泛應用于航空航天、機械、電子、模具、工業(yè)設(shè)計、家用電器等行業(yè)。實踐證明，采用Pro/E軟件進行產(chǎn)品的設(shè)計

88、與開發(fā)，可有效地提高產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和合格率，縮短開發(fā)周期，提升產(chǎn)品的市場競爭力，并為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，因此，Pro/E是工程技術(shù)人員從事現(xiàn)代設(shè)計的最佳選擇。在本課題中，本人選擇了Pro/E三維參數(shù)化實體設(shè)計軟件，完成了垂直導桿型液壓支架的整機三維實體造型和虛擬裝配，為后面的結(jié)構(gòu)有限元分析奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　3.2液壓支架三維實體參數(shù)化建模</p><p>

89、　　3.2.1 建模方法簡介</p><p>　　Pro/E是以特征為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，將特征視為最小的模型基礎(chǔ)元素。一個完整的零件模型是由若干個特征構(gòu)成的；同樣地，組件模型則是由若干個零件組合而成的。</p><p>　　零件=特征1+特征2+特征3+…；</p><p>　　組件=零件1+零件2+零件3+…。</p><p>　　P

90、ro/E提供了4種創(chuàng)建基礎(chǔ)特征的方式：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和混合。其中，拉伸特征是通過一個二維草繪截面沿著與其垂直的方向拉伸一定深度而得到的特征，多用于創(chuàng)建板類或柱狀體；旋轉(zhuǎn)特征是通過一個二維草繪截面圍繞與其共面但不相交的軸線旋轉(zhuǎn)一定角度而得到的特征，一般用于創(chuàng)建回轉(zhuǎn)體；掃描特征是通過一個二維草繪截面沿著一條曲線移動一段距離所產(chǎn)生的特征，而混合特征則是將若干個二維草繪截面通過某種方式（如平行、旋轉(zhuǎn)）連接起來形成的特征。相對而言，掃描特征和混

91、合特征更適合于創(chuàng)建形狀比較復雜的形體。</p><p>　　3.2.2 液壓支架各部件的三維建模</p><p>　　垂直導桿型液壓支架由頂梁、插板、掩護梁、導桿、底座、前伸梁以及立柱、掩護梁油缸、插板油缸等部件組成。為了研究問題方便，特將這些部件分為兩類。一類為組焊件，由于這類部件完全由鋼板或圓管焊接而成，各部分之間無相對位置變動，所以可在Pro/E軟件的零件模塊中以零件的形式創(chuàng)建部件

92、。另一類為組裝件，這類部件需要先制作出組成它的各個零件，然后再按照裝配關(guān)系定義其約束或連接關(guān)系進行組裝。由于這種情況與整機的建模過程相同，所以這里主要介紹前一種情況的建模思路和方法。</p><p>　?、?啟動Pro/E，在主菜單中選擇【文件】→【新建】命令，出現(xiàn)如圖3-1所示。</p><p>　　所示的【新建】對話框，在類型中選擇【零件】選項，然后鍵入“dizuo”文件名，單擊【確定

93、】按鈕。</p><p>　　圖3-1 新建 圖3-2 新建文件選項</p><p>　?、?選擇mmns模板文件,確定如圖3-2所示。</p><p>　?、?在工具欄上選擇按鈕，出現(xiàn)如圖3-3所示的操作面板，從中單擊【放置】按鈕，在隨之彈出的上滑板上單擊【定義】按鈕，出現(xiàn)【草繪】對話框，如圖3-3所示。</p><p>　　圖

94、3-3 草繪平面選擇</p><p>　?、?選擇TOP基準面作為草繪平面、RIGHT基準面為參照平面，單擊【草繪】按鈕即進入草繪狀態(tài)，利用草繪工具繪制1550×1000的矩形后，單擊按鈕結(jié)束草繪。</p><p>　?、?在操作面板上，選擇指定深度拉伸，輸入拉伸長度16，單擊按鈕，建立的底座下底板如圖3-4所示。</p><p><b>　　圖

95、3-4 底座底板</b></p><p>　　⑹ 在工具欄上單擊按鈕，彈出【基準平面】對話框。選擇TOP基準面作為參照平面，分別輸入偏移距離55、-55即得到DTM1、DTM2兩個基準平面。</p><p>　?、?利用工具欄上的按鈕，建立左1筋板。選擇DTM1作為草繪平面，RIGHT面作為參照面，繪制圖3-5所示的草繪截面。輸入深度20mm，生成的左一側(cè)板如3-6所示。<

96、;/p><p>　　圖3-5 草繪截面圖</p><p><b>　　圖3-6 底底側(cè)板</b></p><p>　　⑻ 選取剛剛創(chuàng)建的左一側(cè)板，并單擊工具欄上的按鈕，系統(tǒng)彈出鏡像復制操作面板，這時，選取TOP基準面作對稱平面，即可完成特征鏡像復制，如3-7所示</p><p><b>　　圖3-7鏡像側(cè)筋板<

97、;/b></p><p>　?、?重復以上步驟，即可得到其它筋板、左右封板特征。</p><p>　?、?接下來，將依次制作完成柱窩、耳板、導向筒等結(jié)構(gòu)特征。由于涉及到的結(jié)構(gòu)特征比較多，而各個特征的創(chuàng)建方法和步驟都基本相同，限于篇幅，恕不一一敘述，最后完成的頂梁造型如3-8所示。</p><p>　　圖3-8 底座完成圖</p><p>

98、;　　完成底座的建模之后，類似的步驟，我們可以做出頂梁、導桿、掩護梁、插板等零部件的三維實體模型，這里不再一一敘述。這些零部件的三維模型分別如圖3-9、3-10、3-11、3-12、3-13所示。</p><p>　　圖3-9 頂梁 圖3-10 導桿</p><p>　　圖3-11掩護梁圖3-12 伸縮梁</p><p><b

99、>　　圖3-13 插板</b></p><p>　　3.2.3液壓支架的整機虛擬裝配</p><p>　　虛擬裝配是實際裝配過程在計算機上的本質(zhì)體現(xiàn)，即采用計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過仿真模型，在計算機上仿真裝配全過程，實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造、裝配和調(diào)試。從本質(zhì)上來說，虛擬裝配就是要利用計算機生產(chǎn)出“虛擬產(chǎn)品”，它和CAD技術(shù)相結(jié)合，可以解決設(shè)計與裝配對象在設(shè)計和

100、研制過程難以實現(xiàn)的動態(tài)性能。這樣可以使設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計階段就能了解產(chǎn)品的可裝配性，解決裝配中可能存在的問題，提高設(shè)計效率，降低產(chǎn)品的成本。</p><p>　　對液壓支架部件三維實體建模采用自底向上的方法，即先依據(jù)各部件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸建立各部件的三維模型，然后再按照它們彼此之間的裝配和約束關(guān)系個進行組裝，最后形成一臺完整的機器。很顯然，對液壓支架各部件的精確建模和正確定義各部件之間的裝配關(guān)系，是完成液壓支架整

101、機建模的關(guān)鍵。</p><p>　　創(chuàng)建好液壓支架的所有部件之后，開始對其進行裝配。裝配前，應正確分析各個部件在整機中的位置、作用，以及相關(guān)部件之間的裝配關(guān)系、運動關(guān)系，以保證裝配后的整機定位可靠、運動靈活、互不發(fā)生干涉。</p><p>　　裝配是在Pro/E的組件模塊中完成的。根據(jù)各部件之間的裝配關(guān)系不同，Pro/E提供了不同的裝配形式。如果裝配件與被裝配件之間沒有相對運動，裝配時應使

102、用“放置”選項板定義彼此之間的約束關(guān)系；否則，在裝配時應使用“連接”選項板來定義它們之間連接關(guān)系和約束關(guān)系。</p><p>　　在Pro/E中，組件模塊提供了“匹配”、“對齊”、“插入”、“坐標系”等多種約束類型和“剛性連接”、“銷連接”、“滑動連接”、“平面連接”、“球連接”等多種連接形式。在具體操作中，正確地選擇并使用這些約束類型和連接形式，對能否成功地實現(xiàn)液壓支架的虛擬裝配與運動仿真至關(guān)重要。為此，四個立

103、柱和各個油缸兩端的銷孔與其相關(guān)部件上耳座之間一律采用“銷連接”，活塞桿與缸體之間、插板與掩護梁之間、導桿與導向筒、前伸梁與頂梁之間一律采用“滑動連接”。一般情況下，采用的連接形式不同，所需定義的約束類型也不同。只有當被裝配件處于完全約束時，被裝配件才可能具有確定的運動，“連接”才會有效[7]。</p><p>　　完成支架所有部件的裝配后，進行干涉檢查，確認無誤后即可。完成的垂直</p><p

104、>　　導桿液壓支架三維實體模型如3-14所示。</p><p>　　圖3-14 液壓支架整機裝配圖</p><p><b>　　3.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡單介紹了Pro/E三維實體參數(shù)化建模方法，然后分別建立了頂梁、底座、導桿、掩護梁、插板和伸縮梁等液壓支架的主要部件，在此基礎(chǔ)上對液壓支架進行裝配，創(chuàng)建了液壓支架整

105、機三維實體模型，為第四章虛擬樣機動態(tài)特性分析和第五章支架有限元分析奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　第四章 液壓支架虛擬樣機與仿真</p><p>　　4.1 虛擬樣機技術(shù)</p><p>　　4.1.1 虛擬樣機技術(shù)簡介</p><p>　　虛擬樣機技術(shù)是上世紀80年代興起、基于計算機技術(shù)的一個新概念。虛擬樣機技術(shù)是建立在計算機上的原型

106、系統(tǒng)或子系統(tǒng)模型，它在一定程度上具有與物理樣機相當?shù)墓δ苷鎸嵍?，虛擬樣機設(shè)計是利用虛擬樣機代替物理樣機來對其候選設(shè)計的各種特性進行測試和評價。</p><p>　　虛擬樣機本質(zhì)上是一種計算機模型，它能夠反映實際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運動學和動力學特性。借助于這項技術(shù)，設(shè)計師可以在計算機上建立機械系統(tǒng)模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性并根據(jù)仿真結(jié)果精簡和優(yōu)化系統(tǒng)。<

107、/p><p>　　4.1.2 MSC ADAMS軟件</p><p>　　MSC ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析（auto dynamic analysis of mechanical systems）,該軟件由美國MDI公司（mechanical dynamics Inc.）開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。目前ADAMS軟件已經(jīng)被全世界各行業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。現(xiàn)在ADAMS軟件占據(jù)市場

108、50%的份額，現(xiàn)已經(jīng)并入美國MSC公司。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等[7]。 </p><p>

109、　　ADAMS軟件一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。</p><p>　　此外，ADAMS軟件提供了豐富的數(shù)據(jù)接口，如能讀取*.stp、*.iges等格式的模型。此外，ADAMS和PROE之間還有專門的數(shù)據(jù)傳輸插件

110、MECHANISM/PRO 2005(簡稱mechpro 2005),此插件支持模型從PROE中直接導入ADAMS軟件，這部分將在4.2.2中詳細介紹。</p><p>　　4.2 液壓支架力學模型的建立</p><p>　　這一部分中我們假定支架頂板和底板所受的力均為集中載荷[8]，支架幾何模型簡圖如4.1所示</p><p>　　圖4-1 支架幾何簡圖</