河北工程大學畢業(yè)設計 I 摘要 當前，我國制造業(yè)已經全面完成電圖版工程，我 國 二維 CAD 技術的普及結束了手工繪圖的歷史，對減輕工程人員的勞動強度，提高經濟效益起到了很明顯的作用。隨著技術的發(fā)展， CAD 技術正從二維 CAD 向三維 CAD 過度，三維建模技術是 CAD 技術的核心，建模技術的研究、發(fā)展和應用，代表了 CAD 技術的發(fā)展水平。三維 CAD/CAE 技術在產品的三維造型、虛擬裝配、工程圖生成、動態(tài)干涉檢驗、機構運動分析和動態(tài)仿真等方面帶來了革命性的突破，極大地提高了設計效率和設計質量。 Pro/E 軟件是目前國內外最為先進的基于特征的三維參數化設 計系統(tǒng)之一。本論文較系統(tǒng)地闡述了利用 Pro/E軟件實現放頂煤液壓支架三維實體建模和運動仿真分析的基本方法和技巧。并大體介紹了液壓支架的選型原則、各部件尺寸設計及結構設計等內容。 通過對液壓支架進行運動仿真證明，設計支架尺寸合理，運動靈活，無運動干涉區(qū)域，頂梁前端一點的運動軌跡符合近似雙紐線的要求。 關鍵詞 ： Pro/E；液壓支架；三維建模；仿真 河北工程大學畢業(yè)設計 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 錄 第 1 章 緒論 . 1 1.1 液壓支架的發(fā)展史 . 1 1.2 液壓支架的研究與應用現狀 . 2 1.2.1 液壓支架在我國煤礦生產中的地位和作用 . 2 1.2.2 目前液壓支架的研究與應用現狀 . 2 1.2.3 液壓支架未來的發(fā)展趨勢 . 3 1.3 本課題的確定和主要研究內容 . 3 1.4 本課題的研究方法與技術路線 . 4 第 2 章 液壓支架 的總體方案設計 . 4 2.1 液壓支架的概述 . 4 2.1.1 液壓支架的組成和用途 . 4 2.1.1.1 液壓支架的組成 . 4 2.1.1.2 液壓支架的用途 . 4 2.1.2 液壓支架的工作原理 . 5 2.1.3 液壓支架的支護方式 . 7 2.2 液壓支架總體方案比較與確定 . 7 2.2.1 液壓支架的選型 . 7 2.2.1.1 液壓支架的支撐力與載荷關系 . 8 2.2.1.2 液壓支架架型的分類 . 8 2.2.1.3 液壓支架選型原則 . 10 2.3 液壓支架的整體結構尺寸 . 11 2.3.1 液壓支架基本技術參數的確定 . 11 2.3.1.1 支護高度 . 11 2.3.1.2 支架間距和寬度的確定 . 12 2.3.1.3 底座長度 . 13 2.3.1.4 支護強度 . 13 2.3.2 底座形式的選擇 . 13 第 3 章 液壓支架的 主要部件設計 . 16 3.1 采煤機和運輸機型號的確定 . 16 3.2 頂梁的確定 . 16 3.3 對頂梁長度的影響 . 18 3.4 頂梁主要尺寸的確定 . 18 3.5 掩護梁的結構及參數的確定 . 20 3.5.1 掩護梁的作用和用途 . 20 3.5.2 掩護梁的結構形式 . 20 3.5.3 掩護梁的參數確定 . 21 3.6 立柱及主要參數的確定 . 21 3.6.1 立柱布置 . 21 3.6.2 立柱主要參數確定 . 22 3.7 平衡千斤頂位置的確定 . 24 3.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 . 25 3.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 . 25 第 4 章 三維參數化造型設計與裝配 . 28 4.1 液壓支架建模與裝配的目的 . 28 4.2 液壓支架的三維實體建模 . 29 4.3 液壓支架的整機裝配 . 30 第 5 章液壓支架的運動仿真 . 37 5.1 液壓支架運動仿真的一般過程 . 37 5.2 仿真結果分析 . 39 結論 . 44 參考文獻 . 44 致謝 . 45 河北工程大學畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒論 1.1 液壓支架的發(fā)展史 從歷史來看，大約在四五十年前工作面還是用木支柱。隨著刨煤機、鉆削式和滾筒式采煤機等快速采煤機的使用，木支柱既不能對頂板提供足夠大的阻力，其支護和回收亦難滿足連續(xù)采煤的要求。于是，剛性木支柱被可壓縮性摩擦的液壓支柱所代替，并以支柱鉸接頂梁的結構形式支護回采工作面。 1954 年，英國研制出垛式支架。它主要由安裝在矩形整體底座上的立柱和頂梁組成。幾個月后，英國奧爾蒙德煤礦煤層的整個工作面都裝備了這種支架。這就是世界上首個裝備液壓支架的采煤工作面。從此，開創(chuàng)了煤礦工業(yè)的新時代。 1958 年法國試驗成功了節(jié)式支架。 五十年代末期，為了開采煤層厚度超過 2m 的松散和破碎頂板條件下的褐煤 ，前蘇聯(lián)開始研制掩護式液壓支架，并于 1961 年在阿樂斯 科拖舉辦的貿易展覽上展出了 OMKT 型掩護式支架。這種支架定量很短，僅 0.8m，并與掩護梁鉸接，單根朝前傾斜液壓支柱連接著掩護梁和底座。當支架在其工作高度范圍內升降時，頂梁頂點相對于煤壁做圓弧運動。這樣，不僅影響了支架的承載能力，而且斷面距變化很大，不利于頂板的維護。但比垛式和節(jié)式支架，掩護式支架能有效的控制頂板，防止開采過程中矸石滲入工作面，工作能力好。 為了保持頂梁端點相對于煤壁做近似的直線運動，在 OMKT 型掩護式支架的基礎上作了許多改進： 60 年代 末和 70 年代初，隨著液壓支架在歐洲使用經驗的日益增加，支架結構發(fā)生了巨大變化。長頂梁、二柱、四柱以及多柱四連桿機構的液壓支架相繼問世。并且，為了適應底板不平，底座采用分離鉸接結構：對于松軟底板，為減小底板比壓，采用接觸面積較大的底座；為了防止碎矸石竄入采區(qū)，采用了各種防竄矸的掩護裝置。 1974 年，英國國家煤炭局實施的“高科技采煤工程”推動了液壓支架即采煤設備的進一步發(fā)展。這項工程要求在選擇工作面綜合采煤設備時，必須采用最先進的設備和開采工藝，以提高煤炭產量和改善作業(yè)環(huán)境。 進入 70 和 80 年代，液壓支架僅有了 新的發(fā)展。頂梁不僅實現了“立即前移支護”，而且整個支架安裝了電液控制系統(tǒng)實現微電機控制于操作。 1981 年杜塞爾多夫采礦展覽會上，展出了液壓連桿式液壓支架和具有液壓調高機構的掩護式支架，并研制出采高為 6m 的大采高支架及放頂煤支架；對堅硬巖層設計了強力河北工程大學畢業(yè)設計 2 液壓支架等。 我國液壓支架是從 50 年代末開始研制，經歷可研制試驗、引進、仿制和改進創(chuàng)新等階段，直到現在的獨立設計階段。目前，除液壓支架電液控制和支架計算機輔助設計與繪圖方面落后于國外，其他方面均以達到國外同期水平。 1.2 液壓支架的研究與應用現狀 1.2.1 液 壓支架在我國煤礦生產中的地位和作用 液壓支架式綜采工作面煤層地下支護的關鍵設備，它的性能的好壞直接影響著礦山企業(yè)的產量和井下人員的安全。 1.2.2 目前液壓支架的研究與應用現狀 國內外研究概況 隨著科學技術的進步與發(fā)展，對產品設計和產品開發(fā)提出了越來越高的要求。從設計技術和方法看，三維 CAD 已成為產品設計的主流，并正在向著設計、分析、優(yōu)化、裝配、仿真、制造等集成化的方向發(fā)展；從產品的表現形式看，僅憑二維圖樣作為技術交流的媒介已不能滿足現代設計的需要，而人們越來越熱衷于三維實體化、形體參數化、產品形象化。從 產品的市場需求看，則更是要求不斷提高產品質量和設計效率、縮短產品開發(fā)周期。因此，一些新的設計理念和設計手段，如全數字化設計、無紙設計、參數化設計、并行設計、協(xié)同設計、虛擬設計等便應運而生。 國外 CAD 技術的研究與應用體現在兩個方面：一是優(yōu)秀的 CAD 軟件版本不斷更新，為企業(yè)產品設計提供高效平臺，二是 CAD 技術在企業(yè)的廣泛應用，推動了機械制造業(yè)的信息化。目前，國際上流行的 CAD 軟件主要有：美國 PTC公司的 Pro/E、 USS 公司的（ UG）、 Autodesk 公司的 MDT、生信國際有限公司的 Solid Works、 SDRC 公司的 I-DEAS 等，它們都是以三維參數化實體造型為基礎的 CAD 系統(tǒng)。特別是 Pro/E 所采用的單一數據庫、參數化、基于特征、全相關的概念改變了機械 CAD 的傳統(tǒng)觀念，并已成為當今機械 CAD/CAE/CAM 領域的新標準。利用該概念開發(fā)出來的第三代機械產品， Pro/E 能將設計至生產全過程集成到一起，實現所謂的并行工程。 國外應用 CAD 技術比較成功的企業(yè)有：美國的波音公司、通用汽車公司、歐洲威爾泵業(yè)公司（ Weir PumpsLtd.）、日本三菱電機公司等。 CAD 技術曾為這河北工程大學畢業(yè)設計 3 些企業(yè)帶來了巨大的經濟效益和社會效益。 如：美國福特公司應用三維 CAD 技術后，將新型汽車開發(fā)周期從 18 個月壓縮到 l2 個月，減少了 90%的實物模型，減少新產品的設計更改 50% 以上，減少新汽車試制成本 50%，提高投資收益30%。 我國真正意義的 CAD 尚處于起步階段。陳欣博士利用 ADAMS 和 ANSYS軟件對轎車懸架及整車動力學性能進行的仿真分析，詹文章博士對轉向架和車輛的虛擬制造技術進行的研究，吳濤博士在面向自頂向下設計過程的三維特征建模技術研究的基礎上研制的三維 CAD 原型系統(tǒng) KmEngineer 等，都在一定程度上代表了我國 CAD 技術的研究水平。但目 前國內 CAXA 等三維 CAD 軟件的成熟度不高，市場占有率不到 15%。前不久，中國機械工業(yè)聯(lián)合會對機械制造企業(yè)調查結果顯示：我國制造業(yè) CAD 應用基本普及，但只是“甩掉了圖板”，使用基于三維產品模型的 CAD/CAM 技術的企業(yè)不多，將三維參數化 CAD 技術應用于液壓支架等煤炭機械方面的研究在近兩年才剛剛開始，目前尚處于起步階段。 由于液壓支架是煤炭礦井開采中一種非常重要的支護設備，其性能如何將直接對井下生產安全和生產效率產生重大影響。因此，本課題的研究與開發(fā)不僅具有重要的理論研究意義，更具有巨大的實際應用價值。 1.2.3 液壓支架未來的發(fā)展趨勢 全球經濟的一體化使得機械產品市場的競爭日益激烈。為了提高市場競爭力，各企業(yè)必須不斷縮短新產品的研發(fā)周期，提高產品質量、性能，降低研發(fā)成本。在這種要求下，使得以虛擬樣機技術為代表的計算機技術不斷發(fā)展，虛擬設計逐步成為機械設計領域的一種全新的設計及方法。運用虛擬設計，可以在產品設計初期、設計、分析和評估產品的性能，確定和優(yōu)化物理樣機參數，從而降低產品的開發(fā)風險，縮短開發(fā)周期，提高產品性能。 1.3 本課題的確定和主要研究內容 長期以來，對液壓支架進行設計以及運動模擬主要是通過數據 和二維圖形進行的，局限性大。本文將三維參數化造型、虛擬裝配和運動仿真引進液壓支架的設計中，以及縮短開發(fā)周期，減少研發(fā)成本，提高產品質量，提升產品的市場競爭力。 本文分析了液壓支架的工作原理，進行了液壓支架整體結構尺寸設計及主要部件的設計。 河北工程大學畢業(yè)設計 4 1.4 本課題的研究方法與技術路線 本文利用 PRO/E 對液壓支架進行快速建模，然后利用其運動模塊（ MECHANISM）實現了對液壓支架的升柱、降柱、推溜、移架等的運動過程的動態(tài)仿真，分析仿真結果表明建立的模型和設置的仿真參數的正確，支架尺寸合理，運動靈活，無運動干涉區(qū)域， 頂梁前端一點的運動軌跡復合近似雙鈕線的要求。 第 2 章 液壓支架 的總體方案設計 2.1 液壓支架的概述 2.1.1 液壓支架的組成和用途 2.1.1.1 液壓支架的組成 1）承載結構件，頂梁、底座、掩護梁、連桿、立柱、推移裝置等，其主要功能和傳遞頂板和跨落巖石的載荷。 2）液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現支架的各種動作，產生液壓動力。 3）控制元件部，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安其主要功能是操控支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。 4）輔助裝置，如推移裝置、護幫（或跳梁）裝置、伸縮梁（ 或插板）裝置、活動側護板、防護倒滑裝置、連接件等。這些裝置時為實現支架的某些動作或功能所必需的裝置。全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。 2.1.1.2 液壓支架的用途 在采煤工作面的煤炭生產過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工作人員安全和各項作業(yè)正常進行，必須對頂板進行支護。而液壓支架式以高液體作為動力，由液壓元件與金屬構件組成的支護和控制頂板的設備，它能夠實現支撐、切頂、移架和推移輸送機燈一整套工序。實踐表明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。液壓支架與可彎 曲輸送機和采煤機組合機械化采煤設備，他的應用對增加采煤工作面產量、提高勞動生產率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產是不可缺少的有效措施，因此液壓支架式技術上先進、經濟上合理，安全上可靠、是實現采煤綜合機械化和自動河北工程大學畢業(yè)設計 5 化不可缺少的主要設備。 2.1.2 液壓支架的工作原理 液壓支架在工作過程中，必須具備升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質不同的幾個液壓缸來完成的。 1)升柱 當需要支架上升支護頂板時，高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使與活塞桿相 連接的頂梁緊緊接觸頂板。如圖 2-1 所示。 2)降柱 當需要將柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。 圖 2-1 支架和運輸機的前移，都是由底座上的推移千斤頂來完成。當需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂的活塞桿腔，另一回液腔，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉回煤壁；當需要推輸送機時，支架支撐動版都，高壓液進入推移千斤頂的活塞，另一腔回液，以支架為支點，使活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。 支架的支撐力與時間的曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖 2-2 所示。 河北工程大學畢業(yè)設計 6 圖 2-2 支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化過程可分為三個階段。支架在升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使定量接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的液控單向閥關閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐力階段 T0。 此時支架對頂板的支撐力為初撐力。支撐式支架的初撐力為： 32 104 nPdP hc KN 式中 d-支架立柱的缸徑， m； hp -泵站的工作壓力， MPa； n-支架立柱的數量； 由上式可知，支架初撐力的大小取決于泵站的工作壓力，立柱缸徑和立柱的數量。合理地初撐力是防止直接頂過早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產的關鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來提高初撐力，以免立柱的缸徑過大。 支架初撐力之后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直至增加到支架的安全閥調正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力。此階段為增阻階段 T1， 隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過支架安全閥壓力調節(jié)正值時，安全閥打開而溢流， 立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當低于安全閥壓力調整值后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調整壓力的限制下，壓力曲線隨時間呈波浪變化，此階段為恒阻階段 T2。 支架工作阻力為 河北工程大學畢業(yè)設計 7 32 104 nPDp a KN 式中 ap -支架安全閥的調定壓力 MPa； 支架的工作阻力標志著指甲的最大承載能力。 對于掩護式和支撐掩護式支架，其初撐力和工作阻力的計算還要考慮到立柱傾角的影響因素。 支架的工作阻力是指甲的一個重要參數，它表示支架支撐力的大小，但是 ，由于支架的頂梁長短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對頂板的支撐能力。因此，常用單位支護面積頂板上受支架工作阻力的大小，即支護強度來表示支架的支護性能。即 310 fpqMPa 式中 f -支架的支護面積， 2m 。 2.1.3 液壓支架的支護方式 綜采工作面的主要生產工序有采煤、移架和推溜。 3 個工序的不同組合順序，可形成液壓支架的 3 種支護方式，從而決定工作面“三機”的不同配套關系。 1）即時支護 一般循環(huán)方式為：割煤 移 架 推溜，工作面“三機”的配套關系。即時支護的特點是，頂板暴露距離較小。適用于各種頂板條件，是目前應用最廣泛的支護方式。 2）滯后支護 一般循環(huán)方式為：割煤 推溜 移架。滯后支護的特點是，支護滯后時間較長，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定，完整的頂板。 3）復合紙糊 一般循環(huán)方式為：割煤 支架伸出伸縮梁 推溜 收伸縮梁 移架。 復合支架的特點是：支護滯后時間短，丹增加了反復支撐次數，可適用于各種頂板條件，但支架操作次數增加， 適應高效要求，目前應用較少。 2.2 液壓支架總體方案比較與確定 2.2.1 液壓支架的選型 河北工程大學畢業(yè)設計 8 2.2.1.1 液壓支架的支撐力與載荷關系 支撐掩護式支架式為了改善上述兩類支架的性能和對頂板的適應性而設計的。主體部分接近垛式，支架后部有四連桿機構和掩護梁，增加了支架的穩(wěn)定性和防護性，提高了支架的支護和承載能力。所以，此種支架介于以上兩種支架的中間狀態(tài)，提高了適應范圍，適用于頂板較堅硬，頂板壓力較大或頂板破碎的各種煤層，其受力狀況如圖 2 3 所示。 2.2.1.2 液壓支架架型的分類 按照液壓支架在采煤工作面安裝的位置來劃分有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱斷頭 支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所有位置的支架。 目前使用的液壓支架分三類：支撐式、掩護式、支撐掩護式。 支撐式液壓支架：支撐式支架的架型有垛式支架和節(jié)式支架兩種形式。如圖2 3，前梁較長，支柱較多并呈垂直分布，支架的穩(wěn)定性由支柱的復位裝置來保證。因此底座堅固，它靠支柱和頂梁的支撐作用控制工作面得頂板，維護工作空間。頂板巖三石 則在頂梁后部切斷跨落。這支架具有較大的支撐能力和良好的切頂性能，適用于頂板緊硬完整，周期壓力明顯或強烈，地板較硬的煤層。 河北工程大學畢業(yè)設計 9 圖 2-4 掩護式支架：掩護式支架有插腿式和非插腿式兩種形式。如圖 2 4 所示頂梁較短，對頂板的作用力均勻：抵抗直接頂水平運動的能力強：防護性能好調高范圍大、對煤層變化適應性強：但整架工作阻力小，通風阻力大、工作空間小。這類支架適用于直接定不穩(wěn)定或穩(wěn)定的煤層。 圖 2-5 a-插腿式支架 b-立柱支在掩護式菲插腿式支架 c-立柱支在頂梁上非插腿式支架 支撐掩護式支架：支撐掩護式支架架型主要：四柱在頂梁上（如圖 2-5a,b所示）：二支柱在頂梁（ 2-5， c）一柱或二柱支架在 掩護梁上。支柱兩排，每排1-2 根，剁成傾斜布置，靠采空區(qū)一側，裝有掩護兩盒四連桿機構。它的支撐力大，切頂性能好，防護性能好，結構穩(wěn)定，但結構復雜，重量大，價格貴，不便于運輸。這類支架適用于直接頂為中等穩(wěn)定或穩(wěn)定，老頂有明顯或強烈的周期來壓，瓦斯儲量較大的中厚煤層中。 河北工程大學畢業(yè)設計 10 圖 2-6 2.2.1.3 液壓支架選型原則 液壓支架的選型，其根本目的是使綜采設備適應礦井和工作面的條件，投產后能做到高產、高效、安全，并為礦井的集中生產、優(yōu)化管理和最佳經濟效益提供條件，因此必須根據礦井的煤層、地質、技術和設備進行選擇。 液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板條件。一般情況下課根據頂板的級別直接選出架型。 當煤層厚度超過 2.5m 時，頂板有側向推力時，應選用抗扭能力強制家，一般不宜先用支撐式支架。 當煤層厚度達到 2.52.8m 以上時，需要選擇有護幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架，煤層厚度變化大時，應選擇調高范圍較大的掩護式雙伸縮立柱的支架。 應使支架對底板的比壓不超過底板的抗壓強度。在底板較軟的條件下，應選用抬底裝置的支架或插腿掩護式支架。 煤層傾角 10 時，支架課不設倒滑裝置 1525 度時，排頭支架應設放倒滑裝置，工作面中部輸送 機設防滑裝置，工作面中部支架設底設千斤頂，工作面中部輸送機設防滑裝置。 對瓦斯涌出量大的工作面，應符合保安規(guī)定的要求，并優(yōu)先選用通風面積大的支撐式或支撐掩護式支架。 當煤層為軟煤時，支架最大采高一般 2.5m；中硬煤層時，支架最大采高一般 3.5m；硬煤層時，支架最大采高 5m。 在同時允許選用幾種架型時，應優(yōu)先選用價格便宜的支架。 斷層十分發(fā)育，煤層變化過大，頂板的允許暴露 58 m2 ，時間在 20 分鐘以上時，暫不宜采用 綜采。 特殊架型的選擇可根據特殊架型中各節(jié)的適用條件進行選擇。 河北工程大學畢業(yè)設計 11 液壓支架設計的原始條件 如表 2-1 所示。 表 2-1 老頂 級別 直接頂 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支架類型 掩護式 掩護式 支撐式 掩護式 掩護式獲支撐是 掩護式 支撐掩護式 支撐掩護式 支撐或支撐掩護式 支撐或支撐掩護式 支撐方式 采高 2.5m 支架支護強度 采高 1 2 3 4 0.294 1.3 0.294 1.6 0.249 2 0.294 應結合深孔爆破，軟化頂板等措施處理才空區(qū) 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) 單體支柱支護強度 采高 1 2 3 0.147 1.3 0.147 1.6 0.147 按采空區(qū)處理 0.245 1.3 0.245 1.6 0.245 0.343 1.3.343 1.6 0.343 注：括號內的數字式掩護式支架的支護強度。表中所列支護強度在選用時，課根據本礦情況允許有 5%的波動范圍。 表中 1.3、 1.6、 2 分別為、級老頂的分級增壓系數；級老頂只能給出最低值 2，選用時可根據本礦的實際情況確定適宜值。 2.3 液壓支架的整體結構尺寸 2.3.1 液壓支架基本技術參數的確定 2.3.1.1 支護高度 原始條件： 支撐掩護式輕型放頂煤液壓支架 頂 壓： 200 噸（最大 300 噸） 煤層厚度： 25m 煤層傾角： 8 頂板性能： 中等穩(wěn)定、平整 河北工程大學畢業(yè)設計 12 底板性能： 中硬 瓦斯含量不大 支架高度確定原則，應根據所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內地質條件的變化等因素來確定，其最大與最小高度為： 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 煤層 最大高度， mm h 小 煤層最小高度 ， mm S1 考慮偽頂煤冒落時，仍有可靠支撐力所需要的支撐高度，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 移架時支架的最小可伸縮量，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 支架間距和寬度的確定 所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心之間的距離。用 bc 表示。支架間距 bc要根據支架型式來確定，但由于每支架的 推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據刮板輸送機溜槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂鏈接塊的位置來確定，我國刮板輸送機溜槽長為 1.5m，千斤頂連接位置在刮板槽槽幫中間，所以除節(jié)式和邁步式支架外，支架間距大部分為 1.5m，大采高支架為提高穩(wěn)定性中心間距可采用 1.75 米，輕型支架為適應中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心間距可采用 1.25 米。因此本設計預取 bc=1.25m。 支架寬度是指頂梁的最小和最大寬度。寬度的確定應考慮支架的運輸、安裝河北工程大學畢業(yè)設計 13 和調架要求。支架頂梁一般裝有活動側護板，側護板行程一般為 170200mm。當支架中心間距為 1.5 米時，最小寬度一般取 14001430mm，最大寬度一般取15701600mm。當支架中心距為 1.75 米時，最小寬度一般取 16501680mm，最大寬度一般取 18501880mm。當支架中心間距為 1.25m 時，如果頂梁帶有活動側護板，則最小寬度 11501180mm，最大寬度一般取 13201350mm，如果頂梁不帶活動側護板，則一般取 11501200mm。本次選取 11501200mm。 2.3.1.3 底座長度 所謂底座，就是將頂板壓力傳遞到底板的穩(wěn)固支架的部件 。在設計支架的底座長度時，應考慮一下幾個方面：支架對底板的接觸比壓要??；支架內部應有足夠的空間用于安裝立柱，液壓控制裝置，推移裝置和其他的輔助裝置，便于人員操作和行走，保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護式支架的底座長度取 3.5 倍的移架步距，即 2.1 米左右；支撐掩護式支架對底座長度取 4 倍的移架步距，即 2.4米左右。本次設計地作為 2.4 米左右。 2.3.1.4 支護強度 本次設計中支撐掩護式支架的支護強度 q，可用插入法求得，按下式計算： 12 1)( 121 hh hHx Xqqqq （ 2 3） 式中： qx 支架名義支護 強度。（ KN/m2） q1 采高 h1 所對應的支護強度，見表 2 1 q2 采高 h2 所對應的支護強度，見表 2 1 h1 q1 對應的采高（ m）見表 2 1 h2 q2 對應的采高（ m） 見表 2 1 Hx 支架的結構高度，在 h2h1 之間。 對應最大結構采高 Hx=5.25m 時 h1=3m q1=705.6KN/m2 h2=4m q2=862.4 KN/m2 將各數據代入式（ 2 3）得采高最大時支架支護強度 2/4.105834 325.5)6.7054.852(6.705 mKNQm 2.3.2 底座形式的選擇 河北工程大學畢業(yè)設計 14 支架底座常用形式有 3 種，即整體剛性底座、底分式剛性底座和鉸接分體底座。 1)整體剛性底座如圖 2-7 所示。中檔部一般有一高度 50100mm 小箱形結構，中檔后部上方為相形結構、推移千斤頂一般安裝在相形體之上。整體剛性底座立柱窩前一般要設計一過橋，一提高底座的整體剛性和抗扭能力。整體剛性底座的整體剛度和強度好，底座底座接觸面積大，有利于減小對底座的 比壓，但中檔推移機構處易積存浮煤碎矸，清理較困難，一般用于較軟底板條件下工作面。 圖 2-7 整體式底座 2）底分式剛性底座如圖 2-8 所示，底座底板中分式的中檔推移機構直接落在煤層底板上，前立柱柱窩前有過橋，中檔后部上方為箱型結構。由于底分式剛性底座中擋板分體，推移裝置處的浮煤、碎矸可以隨支架從后端排到采空區(qū)，不需要人工清理，適應高產高效要求，但減少了底座接觸面積，增大了對地板的比壓。 目前高產高效工作面液壓支架一般均采用分體剛性底座。 3）如圖 2-9 所示，交接分體式底座分為左右相對獨立的兩個部分，從中檔處 鉸接，左右底座在垂直方向可以相對錯動，無剛性約束。這種底座對地板不平的適應性好，減少了底座的扭轉和偏載載荷，但是支架的整體剛性有所降低。波蘭支架采用鉸接分體式底座較多，我國用的比較少。 根據常用底座的各自特點，本設計選用整體剛性底座。 河北工程大學畢業(yè)設計 15 圖 2-8 底分式剛性底座 圖 2-9 鉸接分體底座 河北工程大學畢業(yè)設計 16 第 3 章 液壓支架的主要部件設計 3.1 采煤機和運輸機型號的確定 根據配套尺寸關系，在設計中選用采煤機和運輸機型號為： 采煤機： MLS3PH 型 運輸機： SGWD-180PH 配套尺寸，配套圖的確定 配 套尺寸的確定，由圖 3-1 可知 配套尺寸： E=650+377+352=2109 （ 3-1） 液壓支架配套關系圖，如圖 3-1 所示。 圖 3-1 液壓支架配套關系圖 3.2 頂梁的確定 頂梁是與頂板直接接觸的構件，除滿足一定的剛度和強度要求以外，還要保證支護頂板的需要。 頂梁的作用及用途 頂梁作用是支護頂板一定面積的直接承載部件，并為立柱、掩護梁、護頂裝置等提供必要的鏈接點。 用途； a.用于支撐維護控頂區(qū)的頂板。 b.承受頂板的壓力。 河北工程大學畢業(yè)設計 17 c.將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經底座傳到底板。 支架常用頂梁形式有三種：整體頂梁、鉸接前梁的剛性頂梁和伸縮前探前梁的剛性頂梁。 整體頂梁的結構特點：結構簡單、可靠性好；頂梁對頂板載荷的平衡能力較強；前端支撐力較大；可以設置全長側護板，有利于提高頂板覆蓋率，改善支護效果，減少支架間漏矸。為改善接頂效果和補償焊接變形，整體前端（ 8001000mm），一般取 130。如圖 3-2 所示。 圖 3-2 整體頂梁 鉸接前梁的剛性頂梁，如圖 3-3a 所示，該結構頂梁分前后梁并接前梁設有前梁千斤頂，支撐 靠近煤壁處的頂板，同時還可以調整前梁的上下擺角，以適應頂板不平的變化。 伸縮前探梁的剛性頂梁，如圖 2-3b 所示，該結構前梁有深深千斤頂使它伸縮，因此及時伸出支護剛暴露的頂板，從而可使頂梁長度減小，也可使用前梁千斤頂和伸縮千斤頂，使用前梁即可伸縮又可以上下擺動。 圖 3-3 支撐掩護式頂梁的結構形式 河北工程大學畢業(yè)設計 18 1-前梁 2-后梁 3-前梁千斤頂 4-前梁伸縮千斤頂 以上二種頂梁型式比較，本設計選用鉸接前梁的剛性頂梁的結構型式。 3.3 對頂梁長度的影響 1）支架工作方式對頂梁長度的影響 支架工作方式對支架頂 梁長度的影響很大，從液壓支架的工作原理可以看出，先移架后推溜方式（又稱及時支護方式）要求頂梁有較大長度；先推溜后移架方式（又稱后支護方式）要求頂梁長度較短。這是因為采用先推溜的工作方式，支架要超前輸送機一個步距，以便采煤機過后，支架能及時前移，支控新暴露的頂板，做到及時支護。因此，先移架后推溜時頂梁長度要比先提留后移架時的頂梁長度要長一個步距，一般為 600mm。 配套尺寸對頂梁長度的影響 設備配套尺寸與支架長大衣有直接關系。為了防止當采煤機向支架內傾斜時，采煤機滾筒不載割頂梁，同時考慮到采煤機載割時，不一定 把煤壁載割成一垂直平面，所以在設計時，要求頂梁前端煤壁最小距離為 300mm，這個距離叫空頂距。另外在輸送機鏟煤版前也留有一定距離。一般為 135150mm，也是為了防止采煤機載割煤壁不齊，給推移輸送機留有一定的距離。除此之外，所有配套設備包括采煤機和輸送機，均要在頂梁掩護之下工作，在此來計算頂梁長度。 3.4 頂梁主要尺寸的確定 1）定量長度 Lg 頂梁長度【配套尺寸 +底座長度 +A cosQ1】 -【 G cosp1+300+e】 （ 3-2） 式中： 配套尺寸為 2109mm 底座長度為 2400mm P1=540 Q1=790 代入公式（ 3-2）中得 Lg=2109+2400+1515 cos790-2485 cos540-300=3037.4mm 取整數為 3037mm 河北工程大學畢業(yè)設計 19 2)定量面積 A A=Lg B （ 3-3) B-頂梁寬度 mm，在本次設計中頂梁寬度為 1500mm. 代入公式（ 3-3）得 A=3037 1500=4.55m2 3)支護面積 FC FC=BC(Lg+ )m2 （ 3-4) 式中： 移架后頂梁前端點到煤壁的距離 m,一般 =0.3 BC 支架間距（支架中心距），一般 1.5m 代入公式（ 3-4）得： FC=1500（ 3037+300） =5.00 m2 支架的理論支護阻力 F1 F1= FC q x （ 3-5） 式中： FC 支護面積 m2 q x 支護強度 KN/m2 支架在最高處的理論支護阻力為： F1=5.00 1058.3=5291（ KN） 5）頂板覆蓋率 =A/ FC 100% （ 3-6） 式中： A 頂梁面積 m2 代入公式（ 3-6）得 =4.55/5.00 100%=91% 6）頂梁其它有關尺寸的確定 確定立柱上絞點，前梁千斤 頂、前后梁絞點、掩護梁與頂梁絞點的位置（包括水平方向和垂直方向）尺寸如圖 3-4 所示。 河北工程大學畢業(yè)設計 20 圖 3-4 支架結構尺寸 3.5 掩護梁的結構及參數的確定 3.5.1 掩護梁的作用和用途 掩護梁是支架的掩護構件，它有承受冒落矸石的載荷和頂板通過定量傳遞的水平載荷引起的彎矩，掩護梁的用途，掩護梁承受頂梁部分載荷和掩護梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座。掩護梁承受對知己的水平作用力及偏載扭矩。掩護梁和頂梁（包括活動側護板）一起，構成了支架完善的支撐和掩護體，完善了至今啊的掩護和擋矸性能。 3.5.2 掩護梁的結構形式 掩 護梁的結構為鋼板焊接的箱式結構，在掩護梁上端與頂梁鉸接，下部焊有與前、后連桿鉸接的耳座。有的指甲在掩護梁上焊有立柱柱窩。活動側護板裝在掩護梁的兩側。從側面看掩護梁，其形狀有直線型、折線型。如圖 3-5 所示。 河北工程大學畢業(yè)設計 21 圖 3-5 掩護梁的結構形式 1-頂梁； 2-掩護梁； 3-立柱； 4-前連桿； 5-后連桿 6-底座； 7-限位千斤頂梁的結構型式 折線型相對直線型支架端面大，結構強度高，但工藝性差。所以很少采用，從掩護梁的寬度方向來分，可分為整體式和對分式兩種。對分式結構尺寸小，易于加工、運輸和安裝，但結構強度差。所以本次設 計采用的式整體式、直線型。 3.5.3 掩護梁的參數確定 1）掩護梁的長度；掩護梁就是兩鉸點的距離，由前面的四連桿機構可知，掩護梁長大長度為 2485mm。 2）掩護梁寬度 By；本設計掩護梁寬度與頂梁寬度相同，所以掩護梁寬度為1500mm。 3）掩護梁上前后連桿焦點位置；通過比較，可確定前后連桿鉸點位置（水平和垂直方向）具體尺寸可以通過圖 2-5 中掩護梁部分可知。 3.6 立柱及主要參數的確定 立柱是支架的承壓構件，它長期處于高壓受力的狀態(tài)，它除應該具有合理的工作阻力和可靠的工作特殊性外，還必須有足夠的抗壓、抗 彎強度、良好的密封性能，結構要簡單，并能適應支架的工作要求。 3.6.1 立柱布置 1）立柱數；目前國內支撐式支架立柱數為 26 根，常用 4 根；掩護式支架為 2 柱；支撐掩護式支架為 4 柱。 2）支撐方式；支撐式支架立柱為垂直布置。掩護式支架為傾斜布置，這樣可克服一部分水平力，并能增大調高范圍。一般立足軸線與頂梁的垂線夾角小于河北工程大學畢業(yè)設計 22 30 度（支架在最低位置時），由于角度較大，可使調高范圍增加。支撐掩護式支架，根據結構要求呈傾斜或垂直布置，一般立柱軸線與頂梁垂線夾角小于 100（支架在最高位置時），由于夾角較小，有效支撐能力較 大。 3）立柱間距；立柱間距是指支撐式和支撐掩護式支架而言即前、后柱的間距。立柱間距的選擇原則為有利于操控、行人和部件合理布置。支撐式和支撐掩護式支架的立柱間距為 11.5m。 4）立柱類型；立柱按動作方式，分為單作用和雙作用；結構分類，分為活塞式和活柱式；按伸縮方式分為單伸縮和雙伸縮，如圖 3-6 所示。 圖 3-6 立柱的類型 a-單作用活塞式； b-單作用柱塞式； c-雙作用活塞式； d、 e、 f-雙伸縮式 3.6.2 立柱主要參數確定 1）立柱缸體內徑和活塞外徑 a.立柱缸體內徑的確定 madd apnFDcos140 （ 3-7） 式中： D 立柱缸體內徑 mm F1 支架承受的理論支護阻力 KN nd 每架支架立柱數 pa 安全閥的正壓力， pa=40MPa am 立柱最大傾角（度） 代入公式（ 3-7）得 dD = mm2069c o s40414.35291400 查表取整為 200mm 河北工程大學畢業(yè)設計 23 2）立柱初支撐力和泵站的額定工 作壓力 a.初撐力 bd pDp 104 21 【 KN】 (3-8) 式中： bp 泵站壓力 取 35MPa 作為泵站的額定工作壓力，考慮到從泵站支架的壓力損失，根據一般的經驗取 31.5MPa 的泵站乳化液到支架的壓力一般為 2425MPa。但對于只考慮支架的設計來說一般都辦泵站壓力做為計算初撐力的壓力。 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 安全閥調整壓力， ap =40MPa， 代入公式（ 3-9）得： KNp 125640*104 20014.32 柱 c）立柱缸體壁厚的計算 支架立柱的壁厚（ mm）一般為 16 D 3.2，即中等壁厚，按下式計算： cpDp )3.2( （ 3-10） 式中： p 缸內工作壓力， Mpa； c 考慮管壁公差即侵蝕的附加厚度，一般取 2mm； 強度系數，無縫鋼管取 =1； 【 】 缸體材料許用應力， Mpa，缸體選用用 27SiMn，【 】=980MPa； D 立柱缸體內徑， cm； 代入相關數據，得： =14.7mm 圓整，取 =20mm 河北工程大學畢業(yè)設計 24 3） 立柱強度校核 立柱缸體壁厚強度驗算 a）缸體壁厚驗算 當D 3.2 時，按中等壁厚缸體公式進行計算： )(3.2 )( c cDp （ 3-11） 式中： 缸體實際最大承壓， Mpa。 代入相關數據，得： =210.6 Mpa 安全系數為： bn n （ 3-12） b 缸體材料為 27SiMn 尢縫 鋼 管， b =1000MPa n 安全系數，一般取 3.4； 代入相關數據，得 : n=980/210.6=4.56 n b）缸體與缸底焊縫強度驗算 缸體與缸底焊縫強度按下公式計算； 12020 )(410dDp Mpa (3-13) 式中： d0 環(huán)形焊縫內徑， cm； D0 環(huán)形焊縫外徑， cm； 1 焊縫效率， 1=0.7； p 立柱工作阻力， KN； 代入相關數據，得： =146.7Mpa 焊縫抗拉強度： =539 Mpa n=539/146.7=3.67 n=3.4 3.7 平衡千斤頂位置的確定 掩護式支架中平衡千斤頂的推移力和拉力計算，平衡千斤頂位置應該按如下方法計算確定。 河北工程大學畢業(yè)設計 25 3.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 為了保護支架工作的可靠性，支架的支撐力分布（包括立柱的支撐力和平衡力千斤頂的推力和拉力等），必須適應頂板載荷分布。當立柱的上、下柱窩位置卻定后，就可以根據頂板載荷分布來確定平衡千斤頂的位置，現按兩種情 況進行分析。 當頂梁前端出現空頂時，頂梁后端載荷加大，頂板載荷合力作用點位置后移， 此時平衡千斤頂要受拉力，為使支架支撐力分布適應頂板載荷分布，假設合力作用點位置在頂梁后端 0.27 倍頂梁長度出來進行計算。 當頂梁后端出現空頂時，頂梁前端載荷加大，頂板載荷合力作用點位置后移，此時平衡千斤頂受壓力，為使支架支撐力分布適應頂板載荷分布，假設合力作用點位置在頂板的定量后端 0.35 倍頂梁長度出來進行計算。 3.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 取頂梁和掩護梁分為離體（如圖 3-7 示） 00M (3-14) 0)()(s i n)(c o s)( 31211321611 61 LxFhhhaPLLLaPhhWF tt 取頂梁為分離體為： 0Ma 0)(co s)(s i n)(co ss i n 112111221728221 WhFLLaPhhaPhhaPLaPxF tts 河北工程大學畢業(yè)設計 26 圖 3-7 式中 :P8 平衡千斤頂的推力、拉力（推力取“ +”、拉力取“ -”）。 W 頂梁與掩護梁之間的摩擦系數，計算時取 0.3。 1 支架在最高位置時的 立柱傾角 . 2 支架在最高位置時平衡千斤頂的傾角。 為使平衡千斤頂與掩護梁不發(fā)生干涉，保證支架在不同高度是平衡千斤頂與掩護梁平行， 1 可以取支架在最高位置時頂梁上平面和掩護梁的夾角。 h7 平衡千斤頂活塞桿鉸點至頂梁面之距，當支架降到頂梁和掩護梁成1800 時，為使平衡千斤頂不與掩護梁發(fā)生干涉，所以可以按下式進行計算： bbe DBhh 2217（ mm） （ 3-15） 式中 Be 掩護梁厚度（ m） Db 平衡千 斤頂外徑（ m） b 平衡千斤頂外徑與掩護梁間之間隙，一般取 0.030.05m h1 瞬心點至頂梁和掩護梁鉸點之距（ m） L1 立柱柱窩中心至平衡千斤頂上鉸點之距（ m） L2 平衡千斤頂上鉸點至頂梁和掩護梁鉸點之距（ m） X 支護阻力合力作用點位置。 平衡千斤頂在拉力時，取 X=0.27Lg；平衡千斤頂在推力時，取 X=0.35 Lg （ 3-16） 河北工程大學畢業(yè)設計 27 式中 Lg 為頂梁長度。 1）平衡千斤頂的行程設計計算 為了 防止平衡千斤頂的耳環(huán)或平衡千斤頂本身拉環(huán)，對平衡千斤頂的行程有如下要求：當支架在最高位置時，頂梁能下擺 150；支架在最低位置時頂梁能上擺 100，或頂梁和掩護梁近似成 1800。為簡化計算，取如下兩種情況：假設平衡千斤頂的活塞全部伸出時頂梁和掩護梁成 1800；平衡千斤頂的活塞全部縮回時，支架恰好在最高位置。 2）平衡千斤頂在掩護梁上位置的確定 平衡千斤頂的行程確定后，即可確定它在掩護梁上的位置 2311257 LsbaLLL (3-17) 式中 1 當活塞全部縮回后，缸體上鉸點至活塞上部之距。 b1 當活塞桿全部縮回時，活塞桿鉸點至活塞腔出油孔中心線之距。 bbeDBL 226 （ 3-18） 通過 L6 和 L7 的計算，平衡千斤頂在掩護梁上的位置就確定了。 河北工程大學畢業(yè)設計 28 第 4 章 三維參數化造型設計與裝配 隨著科技的發(fā)展，單一使用二維 CAD 技術進行液壓支架設計已不能滿足現代設計的需求。在科研人員到各煤礦和生產廠 家進行方案匯報、項目招標的過程中，利用 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 軟件建立的支架三維實體模型和運動仿真分析，將支架的每一個部件結構，每一層裝配關系，各種運動軌跡都清晰、直觀的顯示出來，從視覺上帶給客戶更感性的認識，收到了很好的效果。 現階段比較有代表性、應用廣泛的三維 CAD 軟件有：美國 PTC 公司的Pro/ENGNEER Wildfire、 DRC 公司的 i-deas、 SOLIDWORKS 公司的 solidworks、EDS 公司的 solid edge、北航海爾的 caxa。其中 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 是windows 平臺下基于特征的參數化造型技術和變量化造型技術的三維實體造型系統(tǒng)，具有杰出的機械裝配設計和制圖性能，能夠方便地與 windows 平臺下其它應用軟件進行數據轉換和鏈接操作。 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 強大的建模功能可以完成任何復雜的造型設計和裝配設計，其工程圖模塊可以將零件環(huán)境、裝配環(huán)境中生成的各類零件、裝配件等實體進行投影，生成符合制圖標準的二維工程圖，極大地方便了液壓支架零部件的設計，因此確定采用 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 軟件來進行液壓支架三維實體的建模。 4.1 液壓支架建模與裝配的目的 Mechanism（機構動力學分析）模塊是 PRO/E 軟件中包含的一個運動分析和仿真模塊，該模塊即可實現對機構的定義、建立零件之間的連接及裝配自由度，對輸入軸添加相應的電機驅動產生設計要求的運動，又可以在分析機構運動時觀察和記錄分析仿真過程的一些測量值，如位置、速度、和加速度等，還可以進行運動干涉檢查和運動軌跡顯示等。 創(chuàng)建三維模型，不僅僅是為了造型，更多的是為了今后使用方便 如設計的修改和調整、虛擬裝配、動力學分析、運動分析等。 一般對于開發(fā)性設計來說，造型的近期目標就是為了修改。具體到支架設計，由于每次設計所需要的支護強度個不相同，所以設計的支架模型在完成機構運動學目標后，還要通過強度驗算同時確保支架總重量不超過一定數值，因此支架模型只有在通過強度驗算合格和總重量不超標的情況下才能正式確定下來。也可以說，在設計時，修改零件模型是必可缺少的。這就要求創(chuàng)建的零件造型結構完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，河北工程大學畢業(yè)設計 29 以便在今后的零件設計過程中，隨時可以方便地對不合理的結構做出修改。 要明確零件造型的目的：在不影響零件的基本特征和受力的情況下，某些細小 特征（如較小的圓角和倒角）可以忽略，還可以將有關部件直接繪成一個零件模型，減少模型儲存量及縮短模型再生時間，從而提高了工作效率。 要明確裝配的目的：裝配是運動仿真的基礎，裝配的好與壞直接影響到運動仿真的進行，只有在模型裝配好之后才能進行運動仿真。 4.2 液壓支架的三維實體建模 對液壓支架整機的三維實體建模一般采用自下向上的方法，即先依據各部件的結構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系逐個進行組裝，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 關系，是完成液壓支架整機建模的關鍵。在本次設計中主要采用拉伸命令進行建模。 本文將以頂梁的建模過程作為代表。 打開 PRO/E4.0，點擊新建按鈕出現對話框，設置如圖 4-1 所示 ,點擊 確定 ，之后選擇 mmns_part_solid，點選確定，之后就進入了零件的建模窗口。點擊 ，之后點擊放置按鈕，進入草繪面選擇對話框，選擇草繪平面，如圖 4-2 所示。根據零件尺寸要求一步一步的進行拉伸，零件創(chuàng)建好之后其效果圖如圖 4-3 所示。 圖 4-1 圖 4-2 河北工程大學畢業(yè)設計 30 圖 4-3 頂梁效果圖 4.3 液壓支架的整機裝配 創(chuàng)建好液壓支架的所有部件之后，就要開始進行裝配。裝配前，應正確分析各部件在整機中的位置、作用、以及相關部件之間的裝配關系、運動關系，以保證裝配后整機定位可靠、運動靈活、互不發(fā)生干涉。 裝配是在 PRO/E 的組件模塊中完成的。由于各部件之間的裝配關系不同，PRO/E 提供了不同的裝配形式。如果裝配件與裝配件之間沒有相對運動，裝配時應選用“放置”選項定義板定義彼此之間的約束關系；否則，在裝配時應選用“連接”選項板來定義它們之間的連接關系和約束關系 。在裝配過程中，如果按照設定的約束關系并沒有使裝配件處于“正常的工作位置”，可使用“拖動”選項板上的“平移”、“旋轉”等工具對配件進行調整，直至符合要求為止。 在 PRO/E 中，組件模塊提供了“匹配”、“對齊”、“插入”和“坐標系”等多種約束類型和“剛性鏈接”、“銷釘鏈接”、“平面鏈接”、“球連接”等多種形式，如圖 4-4 所示。 河北工程大學畢業(yè)設計 31 圖 4-4 連接形式與用戶自定義 在具體的操作中，正確地選擇并使用這些約束類型和連接形式，對能否成功地實現液壓支架的虛擬裝配與運動仿真至關重要。為此，四個立柱與油 缸兩端的銷孔與其相關部件上耳座之間一律采用“銷聯(lián)接”，活塞與缸體之間一律采用“滑動桿連接”，頂梁與掩護梁之間，掩護梁與前后連桿之間一律采用“銷聯(lián)接”。一般情況下，采用的鏈接形式不同，接下來所需定義的約束類型也不同。只有當裝配處于完全約束時，被裝配件才可能具有確定運動，“鏈接”才會生效 . 總的來說，裝配過程是較為簡單的。但是還是要注意幾個問題。 1）一般來說，建立一個裝配約束時，應選取元件參照和組件參照。元件參照和組件參照分別是元件和裝配體中用于約束定位和定向的點、線、面。例如通過對齊（ Align）約束將一根 軸放入裝配體的一個孔中，軸的中心線就是元件參照，而孔德中心線就是組件參照。 2）系統(tǒng)一次只添加一個約束。例如不能用一個“對齊”約束將一個零件上兩個不同的孔與裝配體中的另一個零件上的兩個不同的孔對齊，必須定義兩個不同的對齊約束。 3）要對一個元件在裝配體中完整地指定放置和定向（即完全約束），往往需要定義數個裝配約束。 4）正確進行立柱的裝配。由于現有的很多軟件很難識別立柱窩和立柱缸體河北工程大學畢業(yè)設計 32 底部圓球面得配合關系，所以裝配過程比較復雜，有時甚至沒法裝配。有一個解決方法局勢將立柱簡化成鉸點（ joint），這樣還有一個優(yōu)點 就是進行運動分析（ dynamic）和運動學分析（ kinematic）時時比較方便（簡化成轉動副）立柱與柱窩的裝配關系如圖 4-5 所示。還有局勢立柱以及各部件以及各種千斤頂的活塞和缸體最好裝配成部件，然后調入到總裝圖當中，不要放在總裝圖中裝配。如果在總裝圖總裝配，裝配過程將會很復雜。 圖 4-5 立柱與柱窩的和裝配關系圖 5）在 PRO/E 中元件時，可以將多個所需的約束添加到元件上。即使從數學的角度來說，元件的位置已完全約束，還可能需要指定附加約束，一確保裝配件達到設計意圖。如圖 4-6 所示為頂梁裝配鏈接關系圖， 用到多個設置，以保證與各部件的定位關系正確。 河北工程大學畢業(yè)設計 33 圖 4-6 頂梁的裝配關系 在裝配插板和插板缸時有可能裝不上，我們可以先進行“尾梁”、“插板”和“插板缸”的裝配 。新建“組建” 取消“缺省” 確定 選擇mmns-asm-design，確定之后進入組裝模塊。點擊 ，選取“尾梁”，進入裝配界面，選擇缺省。如圖 4-7 所示 。點擊 ，選擇“插板”，確定進入組裝界面后，選擇“滑動桿”連接，其連接關系如圖 4-8 所示 ，確定完成 。 河北工程大學畢業(yè)設計 34 圖 4-7 圖 4-8 河北工程大學畢業(yè)設計 35 點擊 ，選取“插板缸”，進入組裝界面，連接形式為用戶自定義，連接關系如圖 4-9 所示。 圖 4-9 總的來說，裝配過程是較為簡單的 。 需要說明的是，三維建模工具僅僅完成了實體建模的制作，只有和有限元分析軟件以及運動學仿真軟件結合起應用，才能發(fā)揮其最大的價值。如果把三維建模工具僅僅當成項 AutoCAD 軟件那樣來繪制圖形，則沒有發(fā)揮到其正真的作用。應為三維建模的主要目標在于為虛擬產品提供數據。要形成一個認識：以三維建模設計軟件為平臺，集成有限元分析軟件和運動仿真組成應用系統(tǒng)，才能真正的解決提高產品設計質量 問題。隨著計算機技術的發(fā)展和軟、硬件成本的下降，利用三維建模工具來進行支架設計將會使支架設計水平越來越完善。 液壓支架三維建模與裝配的效果圖如圖 4-10 所示。 河北工程大學畢業(yè)設計 36 圖 4-10 液壓支架三維模型 河北工程大學畢業(yè)設計 37 第 5 章液壓支架的運動仿真 5.1 液壓支架運動仿真的一般過程 液壓支架的仿真流程如下圖 5-7 所示。 圖 5-1 仿真流程圖 液壓支架的運動仿真是成功建立力氣裝配模型的基礎上，通過定義靜止部件、運動部件，并在各起始運動件上定義驅動電機、選擇連接軸和運動方向、設定運動條件或參數等一系列操作來實現的。 由于液 壓支架運動部件均已立柱或油缸為驅動件，活塞桿在油缸中只作往復運動，所以，在建立液壓支架的仿真模型時，以底座為靜止部件，其他部件均為活動件。將驅動電機放在活塞上，以活塞軸線作為聯(lián)接軸，然后根據各個活塞桿的行程和運動時間，在“輪廓”面板的“規(guī)范”欄中選擇“位置”來規(guī)范活塞的運動，在“模”欄中選取“表”選項；最后，利用“運動分析”命令定義運動仿真的起始長度和幀數等，即可播放完成的動畫。 在組裝好裝配圖后，點選菜單欄中的“應用程序”下拉菜單中的“機構”，進入機構仿真模塊。運動仿真的操作步驟如下： 插入伺服電機 選菜 單欄中的“插入”下拉菜單中的“伺服電動機”，彈出伺服電動機定義框，在“類型”中選擇從動圖元，如圖 5-2 所示。 河北工程大學畢業(yè)設計 38 圖 5-2 在“輪廓”的“規(guī)范”中可以定義從動圖元的位置、速度、加速度，在“?！敝锌梢远x速度函數。在“圖形”中可以選擇“位置”、“速度”、“加速度”可以顯示運動的效果圖。在本次設計中由于電機為分段運動不能使用速度定義，只能選擇位置定義，在定義的過程中電機的運動范圍是受到限制的，電機的運動模不能超出液壓缸的有效運動長度，所以電機的定義采用“表”中的“時間 模 ”的定義方式。 如 5-3 圖所示為立柱 電機定義過程。 圖 5-3 立柱分析時 電機的定義 2）定義分析 單擊機構分析 按鈕彈出“分析定義”對話框，在此對話框中科設置總運動館時間、幀數、幀頻等運動參數以及電動機的運動順序和運動時間。定義時間域的方式又三種： 長度和幀頻：輸入運行的時間長度和幀頻，系統(tǒng)計算總的幀數和運行長度。 河北工程大學畢業(yè)設計 39 長度和幀數：輸入運行的時間長度和總幀數，系統(tǒng)計算運行的幀頻。 幀頻和幀數 ；輸入總幀數和幀頻，系統(tǒng)計算運行時間。 由于本次設計時順序動作，順序為：升柱 掩護梁伸出 尾梁伸出 插板伸出 推溜伸出 掩護梁收回 插 板收回 降柱 收回推溜（伸出后推桿） 收回尾梁 收回后推桿。要實現電機的順序動作是一個非常復雜的過程。在定義電機的過程中，采用了“位置”定義電機方便了“分析定義”中的電機定義。其運動時間段如圖 5-4 所示。 圖 5-4 電機運動時間段 5.2 仿真結果分析 獲取仿真結論是將運動的結果與實際運動進行對比分析，如運動干涉、運動包絡等，對出現的問題提出改進方法，實現液壓支架的最優(yōu)化。 在液壓支架零、部件裝配和運動仿真完成后，就可以利用 PRO/E 對設計的河北工程大學畢業(yè)設計 40 實體模型進行干涉檢驗，包括靜態(tài)檢查和動態(tài)檢查。靜態(tài)干涉檢 查是指在特定的裝配結構形式下，檢查裝配體各個零件之間的相對位置是否存在零部件之間的運動干涉。直接利用 PRO/E 對設計模型進行分析，重點對裝配模型進行全局干涉檢驗，檢驗結果直接顯示在模型中，同時用數字給出干涉區(qū)域的面積。這樣對整個支架的裝配結構進行干涉檢驗，可以觀察和分析出區(qū)域問題，從而進行結構改進設計，將整機設計中可能存在的問題消除在萌芽狀態(tài)，減少試制樣機費用和改進時間，并大大縮短機械產品的更新周期。在液壓支架運動仿真完成之后，借助于 PRO/E 仿真分析測量還可以測量系統(tǒng)中需要跟蹤的參數，如零件的位置、速度、 加速度等，并將其變化趨勢通過圖表的形式直觀的表現出來，假如結果不理想，可以在設計模式下直接修改模型參數，重復仿真分析以達到機構優(yōu)化的目的。 運動分析 所有電動機后即可進行運動分析，如圖 5-5 所示。分析無誤后保存分析果，利用“回放”命令可以對已運行的運動分析進行回放，在回放中還可以進行動態(tài)干涉檢查和制作播放文件。對每個運行的運動定義，系統(tǒng)將單獨保存一組運動結果，利用“回放”命令可以將其結果保存在一個文件中，也可以刪除、恢復或輸出這些結果而后可生成后綴名為 mpg 德演示文件。如圖 5-6。具體演示文件見視頻。 圖 5-5 運動回放 河北工程大學畢業(yè)設計 41 圖 5-6 視頻截圖 繪制軌跡曲線 在運動仿真后還要對液壓支架的特殊點的運動軌跡進行分析。特殊點有：掩護梁頂點、頂梁、擺桿頂點。 掩護梁的運動軌跡分析 選擇繪制曲線命令 ，便可以繪制液壓支架的運動曲線。選擇“新建”按鈕就可以進入選擇分析的點，選取掩護梁頂點，選擇過程如圖 5-7 所示。在“位置”選項框中還可以選擇“速度”、“加速度 ”、“連接反作用力”等。在分量中可以選擇“ x”、“ y”、“ z”、“?！?，本次選擇“ x”方向作為代表進行運動分析，“位置 時間”曲線圖如 5-8 所示。 圖 5-7 河北工程大學畢業(yè)設計 42 圖 5-8 從曲線中可以看出頂梁前端點開始向負方向運動，在運動一段時間后有一個小段時間的反向運動過程，這是由于頂梁前端點在運動到水平位置后還會繼續(xù)向上運動一小段的距離，導致在 x 方向上還有一小段的反向運動過程；在掩護梁停止運動時，掩護梁停止在運動極限；在掩護梁反向運動時，同理有個反向運動過程。此過程與液壓支架的實際運動過程相符。 掩護梁“軌跡曲線”定義在“插入”中選取。“軌跡曲線”如圖 5-9 所示。由于擺桿的存在，掩護梁在 x 方向的運動軌跡比實際的要求彎曲大。 圖 5-9 頂梁的運動軌跡分析 定義過程如“掩 護梁的定義過程”，本次選取 y