液壓支架的動(dòng)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(hù)頂板、防止頂板垮落，為施工人員和施工設(shè)備提供一個(gè)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(jī)構(gòu)演化，研究了一種新架型——垂直導(dǎo)桿型液壓支架；該新型支架不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yīng)用前景。</p><p>　　然后，用三維參數(shù)化的設(shè)計(jì)軟件Pro/E，完成了垂直導(dǎo)桿型液壓支架的三維參數(shù)化造型，實(shí)現(xiàn)了Pro/E與ADAMS軟件之間的模型轉(zhuǎn)換，并利用ADAMS軟件對(duì)該液壓支架進(jìn)行動(dòng)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(dǎo)桿型液壓支架新架型，并采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(duì)今后的液壓支架產(chǎn)品的研究與開發(fā)具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：液壓支架；垂直導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)；三維參數(shù)化；虛擬樣機(jī)；動(dòng)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(guó)內(nèi)外液壓支架的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀1</p><p>　　1.1.1 國(guó)外液壓支架研究水平1<

12、/p><p>　　1.1.2 國(guó)內(nèi)液壓支架研究水平2</p><p>　　1.1.3 國(guó)內(nèi)外液壓支架研究與應(yīng)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?jī)?nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)5</p><p>　　1.3.1 研究?jī)?nèi)容5</p><p>　　1.3.2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)5</p><p>　　1.4 本章小結(jié)5</p><p>　　第二章 垂直導(dǎo)桿型液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jì)9</p><p>　　2.3.1 底座設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.3.2 頂梁設(shè)計(jì)15</p><p>　　2.4 本章小結(jié)16</p><p>　　第三章 垂直導(dǎo)桿型液壓支架三維參數(shù)化設(shè)計(jì)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(shí)體參數(shù)化建模18</p><p>　　3.2.1 建模方法簡(jiǎn)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(jī)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(jī)與仿真25</p><p>　　4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)25</p><p>　　4.2 液壓支架力學(xué)模型的建立26</p><p>　　4.3 支架虛擬樣機(jī)模型的建立28</p><p>　　4.4支架樣機(jī)工況動(dòng)態(tài)仿真32</p><p>　　4.5 液壓支架簡(jiǎn)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(xiàn)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(hù)頂板，防止頂板垮落，為施工人員和施工設(shè)

19、備提供一個(gè)安全可靠的工作空間。與其他支護(hù)設(shè)備相比，液壓支架具有支護(hù)、移架、調(diào)架、推溜等多種功能。由于其自動(dòng)化程度高，工作安全可靠，可極大地降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(guó)家建設(shè)的飛速發(fā)展，工程施工規(guī)模不斷擴(kuò)大、施工進(jìn)程不斷加快、自動(dòng)化程度也越來越高，而地下巖層的物理性質(zhì)復(fù)雜多變，客觀上對(duì)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(guó)內(nèi)外的同行及

20、專家對(duì)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(shí)際意義。</p><p>　　液壓支架能實(shí)現(xiàn)支撐、切頂、自移和推溜等工序，與大功率采煤機(jī)、大運(yùn)量的可彎曲刮板輸送機(jī)組成回采工作面的綜合機(jī)械化設(shè)備。由于液壓支架具有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以它的使用可極大地降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)采現(xiàn)代工程機(jī)械化和自動(dòng)化不可缺少的主要設(shè)備。</p><p>　　液壓支架的設(shè)計(jì)過程正從傳統(tǒng)的平面繪圖設(shè)計(jì)階段，逐漸的轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化的三 維設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)階段。在新的設(shè)計(jì)方法中，三維設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)技術(shù)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)修改設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單易行，在計(jì)算機(jī)里做出虛擬的樣機(jī)，模擬其性能參數(shù)，而不需要做出實(shí)際的樣機(jī)。PROE軟件和ADAMS正是三維設(shè)計(jì)和虛擬樣機(jī)軟件的代表。本設(shè)計(jì)以此展開。</p

22、><p>　　1.1 國(guó)內(nèi)外液壓支架的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1 國(guó)外液壓支架研究水平</p><p>　　20世紀(jì)80年代以來，世界主要施工機(jī)械生產(chǎn)商積極開發(fā)和應(yīng)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(guó)外液壓支架的總體發(fā)展趨勢(shì)是：向兩柱掩護(hù)式和四柱支撐掩護(hù)式架型發(fā)展，架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，設(shè)計(jì)方法更先進(jìn)，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(qiáng)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(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)50000次，支架的壽命達(dá)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(yīng)用電液控制技術(shù)，采用電磁控制的先導(dǎo)閥，先進(jìn)可靠的壓力和位移傳感器，靈活自由編程的微處理機(jī)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(dòng)作自動(dòng)連續(xù)進(jìn)行，移架速度大大提高。<

24、/p><p>　　美國(guó)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(shí)現(xiàn)液壓支架快速推進(jìn)，移架速度達(dá)6～8s/架，使用壽命8～10年，可用率高達(dá)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(dá)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(shí)間、增加有效工作時(shí)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(dá)到764

25、0kN[3]。</p><p>　　1.1.2 國(guó)內(nèi)液壓支架研究水平</p><p>　　我國(guó)從20世紀(jì)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(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，一同開發(fā)研制，使我國(guó)液壓支架的設(shè)計(jì)制造水平有了很大提高。由最初引進(jìn)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(guó)內(nèi)液壓支架正朝著重型、高強(qiáng)、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(duì)不同的地質(zhì)條件表現(xiàn)出良好的適應(yīng)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(jī)械加高立柱發(fā)展到雙伸縮和三伸縮立柱，相應(yīng)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(hù)高度也有大幅度提高，最高支架的支撐高度達(dá)到2.5～5.0m。</p><p>　?。?）以前國(guó)內(nèi)絕大部分支架所用板

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

29、p><p>　　近年來由于種種原因，國(guó)內(nèi)外一些研究開發(fā)機(jī)構(gòu)大都把研究重心放在了重型、高強(qiáng)、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(chǎng)需求不相適應(yīng)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(jià)格昂貴，一般中小客戶經(jīng)濟(jì)上難以承受；對(duì)于中小型隧道或工作

30、面，大型支架根本運(yùn)不下去，即使運(yùn)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(yán)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(shí)際應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)，體積小，重量輕，便于運(yùn)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(gè)突出的現(xiàn)實(shí)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(chǎng)的實(shí)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(hù)需要，本文在研究傳統(tǒng)液壓支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，通過機(jī)構(gòu)演化提出了一種最新架型，即垂直導(dǎo)桿型液壓支架，如圖1-1所示。垂直導(dǎo)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(dǎo)

32、向機(jī)構(gòu)連接，滑套固定于底座之上，導(dǎo)桿與頂梁鉸接，掩護(hù)梁由掩護(hù)梁千斤頂控制。垂直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用于支架頂梁升降導(dǎo)向，并承載支架的縱向水平外力。該機(jī)構(gòu)可以根據(jù)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求在支架底座對(duì)稱線上設(shè)置1個(gè)，也可在支架底座上并排對(duì)稱設(shè)置2個(gè)。該支架具有受力合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和重量輕的特點(diǎn)，這對(duì)于提高我國(guó)中小地下工程支護(hù)水平和開采能力是非常有益的。</p><p>　　圖1-1　垂直導(dǎo)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(dāng)復(fù)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(jī)械產(chǎn)品。傳統(tǒng)的液壓支架設(shè)計(jì)方法是首先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)；為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確性，往往需要根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果制作出產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，這些試驗(yàn)是破壞性的，其試驗(yàn)成本很高。實(shí)際上，只經(jīng)過一次試驗(yàn)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(fù)數(shù)次試驗(yàn)，即當(dāng)試驗(yàn)沒有通過時(shí)，則必須修改設(shè)計(jì)并再制作樣機(jī)

34、重新進(jìn)行驗(yàn)證，直至產(chǎn)品達(dá)到要求的性能為止。顯然，這一過程不僅周期長(zhǎng)、效果差、方法落后，而且研發(fā)成本高、市場(chǎng)應(yīng)變能力差，根本無法適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的需要。在這種形勢(shì)下，采用全新的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的技術(shù)方法對(duì)垂直導(dǎo)桿型液壓支架進(jìn)行設(shè)計(jì)，是本課題的必然選擇。而由美國(guó)PTC公司開發(fā)的Pro/Engineer三維參數(shù)化實(shí)體設(shè)計(jì)軟件和MSC公司開發(fā)的ADAMS軟件，易學(xué)易用、功能強(qiáng)大，為實(shí)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(jìn)行自底向上建模，實(shí)現(xiàn)該支架的三維參數(shù)化造型。運(yùn)用虛擬樣機(jī)軟件ADMAS對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓支架在各種工況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，從而對(duì)支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行全面考查。根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)上各處應(yīng)力的分布情況，結(jié)合我國(guó)《液壓支架通用技術(shù)條件》，判斷所設(shè)計(jì)液壓支架的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)或優(yōu)化，控制支架整體結(jié)構(gòu)及其零部件的強(qiáng)度，減輕支架重量，提高其制作經(jīng)濟(jì)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(gè)方面：</p><p>　?、?垂直導(dǎo)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(jī)構(gòu)型式，即設(shè)計(jì)了垂直導(dǎo)桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和無活動(dòng)側(cè)護(hù)板頂梁。該支架不僅由于無活動(dòng)側(cè)護(hù)板，致使支架的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適用于中小型地下工程施工，而且由于垂直導(dǎo)桿機(jī)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(jī)穩(wěn)定性。新型液壓支架具有較廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。</p><p>　?、?本課題采用全新的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，突破傳統(tǒng)液壓支架設(shè)計(jì)模式，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，所有設(shè)計(jì)對(duì)象均顯示為三維立體效果，容易激發(fā)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新設(shè)計(jì)；由于采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)PROE軟件以及虛擬樣機(jī)軟件ADAMS軟件，所以對(duì)建立的產(chǎn)品模型進(jìn)行修改非常容易和快捷；從零部件設(shè)計(jì)到整機(jī)

38、組裝，從整機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真到整機(jī)動(dòng)態(tài)特性，全部在計(jì)算機(jī)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(jì)效率，縮短開發(fā)周期，為以后的液壓支架產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方式和技術(shù)途徑，同時(shí)對(duì)其他機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)也具有參考價(jià)值。</p><p>　　1.3 本課題的研究?jī)?nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)</p><p>　　1.3.1 研究?jī)?nèi)容</p><p>　?、?/p>

39、 對(duì)液壓支架穩(wěn)定機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究，提出并完成垂直導(dǎo)桿型液壓支架的設(shè)計(jì)；</p><p>　　⑵ 采用自底向上的建模方法，用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)該支架的三維參數(shù)化造型及虛擬裝配；</p><p>　?、?建立運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型，利用ADAMS軟件，對(duì)不同工況下的整機(jī)位置和工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。</p><p>　?、?建立有限元力學(xué)分析模型，利用ANSYS軟件，對(duì)不同工況下的

40、整機(jī)受力和變形進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。</p><p>　　1.3.2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)</p><p><b>　?、?關(guān)鍵技術(shù)</b></p><p>　　①創(chuàng)建垂直導(dǎo)桿型液壓支架的新型力學(xué)計(jì)算模型</p><p>　?、谌S參數(shù)化建模的技術(shù)與方法</p><p>　　③Pro/E軟件與ADAM

41、S軟件之間的模型轉(zhuǎn)換</p><p>　?、苓\(yùn)用ADAMS虛擬樣機(jī)進(jìn)行支架工況動(dòng)態(tài)特性的仿真</p><p><b>　?、?創(chuàng)新點(diǎn)</b></p><p>　?、偈状螌?duì)垂直導(dǎo)桿型液壓支架進(jìn)行系統(tǒng)分析研究</p><p>　?、趧?chuàng)建垂直導(dǎo)桿型液壓支架的新型力學(xué)計(jì)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(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究狀況及其在應(yīng)用中存在的問題，并針對(duì)應(yīng)用中存在的問題，在研究傳統(tǒng)液壓支架機(jī)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，提出了垂直導(dǎo)桿型液壓支架這種新型機(jī)構(gòu)型式，然后較詳細(xì)地介紹了本課題的研究?jī)?nèi)容、意義、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)。</p><p>　　第二章 垂直導(dǎo)桿型液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</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(duì)液壓支架架型的分析與研究是液壓支架設(shè)計(jì)的重要組成部分。本節(jié)將針對(duì)當(dāng)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(dǎo)桿型液壓支架，作簡(jiǎn)要的分析比較，找出它們各自的特點(diǎn)。</p><p>

44、　　2.1.1 垛式液壓支架</p><p>　　垛式支架是我國(guó)最早從國(guó)外引進(jìn)的一種支架型式，如圖2-1所示，它屬于無導(dǎo)桿、無擺桿支架，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，支撐能力強(qiáng)，適用于頂板比較完整的工作面，但該支架在設(shè)計(jì)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(yán)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(chǎng)合，其維護(hù)能力明顯不足。在我國(guó)，大部分地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)支架支護(hù)性能要求

45、較高，一些地方從引進(jìn)這種支架開始，就頻頻發(fā)生事故，有的干脆就無法進(jìn)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(jī)構(gòu)</p><p>　　2.1.2 四連桿型液壓支架</p><p>　　支撐掩護(hù)式液壓支架是在支撐式支架的基礎(chǔ)上吸取了掩護(hù)式支架的特點(diǎn)發(fā)展起來的一種架型。它的頂梁與底座，采用掩護(hù)梁和前、后連桿連

46、接起來，形成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，使支架的剛度和抵抗水平推力的能力大大增強(qiáng)，是目前國(guó)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(jī)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖2-2所示，其特征是：以四連桿的最短桿的對(duì)邊為機(jī)架，搖桿AB和CD作往復(fù)搖擺，連桿BC上的某點(diǎn)E可在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)雙紐線的軌跡。此種機(jī)構(gòu)用于液壓支架上，通過合理設(shè)計(jì)，如圖2-3所示，可使支架頂梁前端點(diǎn)與前方巖壁間距離的變化大大減小，當(dāng)頂板來壓時(shí)，立柱迫于壓力產(chǎn)生微小的

47、下縮，使頂梁有向前移動(dòng)的趨勢(shì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文代做平臺(tái) 《580畢業(yè)設(shè)計(jì)網(wǎng)》 是專業(yè)代做團(tuán)隊(duì) 也有大量畢業(yè)設(shè)計(jì)成品提供參考 www.bysj580.com QQ3449649974可防止巖石向后移動(dòng)，頂板給頂梁一個(gè)向后的水平推力，同時(shí)，為阻止底座向后移動(dòng)，底板給底座一個(gè)向前的水平推力，從而使支架產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，因而增加了頂梁前端的支護(hù)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(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力，使得支架合力作用點(diǎn)位置變化范圍較大，影響了支架的穩(wěn)定性。另外，對(duì)于四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也相對(duì)比較復(fù)雜，如果設(shè)計(jì)不好，還會(huì)增加支架的內(nèi)力，影響液壓支架的強(qiáng)度。</p><p>　　圖2-2　雙搖桿機(jī)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(jì)90年代初期在我國(guó)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(jī)構(gòu)，抗扭能力較四連桿機(jī)構(gòu)弱；另外在升架或降架過程中，頂梁端頭運(yùn)動(dòng)軌跡是圓弧曲線，頂梁與頂板之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)位置變化范圍較大，既不利于頂板維護(hù)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(dǎo)桿型液壓支架</p><p>　　垂直導(dǎo)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(diǎn)：</p><p>　　(1) 滑套與導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(dǎo)桿型液壓支架的垂直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，無論在結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度還是在其設(shè)計(jì)的難度上，都比四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單得多，加工制造也很容易，從而可降低支架的設(shè)計(jì)成本和加工成本，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　(3)垂直導(dǎo)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)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(dǎo)桿與頂梁鉸點(diǎn)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(dǎo)桿型液壓支架的掩護(hù)梁直接由掩護(hù)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(jī)的維護(hù)。</p><p>　　(6)

53、垂直導(dǎo)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(duì)于提高我國(guó)中小地下工程支護(hù)水平是非常有益的。</p><p>　　通過以上分析和比較，垂直導(dǎo)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(jì)性方面，都有著比較明顯的優(yōu)點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)，因此該架型的研究與開發(fā)必定會(huì)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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?cè)谶M(jìn)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(fēng)斷面、足夠?qū)挼娜诵械赖纫?，確定了該支架的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 支架結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　⑴ 頂梁長(zhǎng)度取2600mm，厚度取230mm；</p><p>　?、?伸縮梁的伸縮長(zhǎng)度為550

55、mm；</p><p>　?、?底座長(zhǎng)度為1600mm，厚度取250mm；</p><p>　?、?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(hù)高度2.4m。</p><p>　　2.3 液壓支架主體部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</

56、p><p>　　2.3.1 底座設(shè)計(jì)</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(qiáng)度要求外，還要求對(duì)底板的起伏不平的適應(yīng)性要強(qiáng)，對(duì)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(qiáng)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(jī)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(fù)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(hù)式或支撐掩護(hù)式支架。</p><p>　　⑵對(duì)分式剛性底座的底板是中分式的，為適應(yīng)底板起伏不平的變化，通常把底座制成前、后或左、右對(duì)分式，圖2-6-c、d所示，分別為前后兩個(gè)底座的對(duì)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(gè)底座箱的對(duì)分式

59、，兩者用過橋彈簧和銷軸等連接。</p><p>　　⑶底靴式 底靴式底座的特點(diǎn)是每根立柱支承在一個(gè)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(dòng)作靈活，對(duì)底板不平整適應(yīng)性強(qiáng)。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(qiáng)、強(qiáng)度高、比壓小等性能，此次垂直導(dǎo)桿液壓支架的設(shè)計(jì)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(jì)</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(jī)構(gòu)。導(dǎo)向筒采用鋼板焊接成“回”字形，導(dǎo)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(shí)使導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)抵抗水平力的能力大大增強(qiáng)，也能夠使

61、前推移機(jī)構(gòu)來回運(yùn)動(dòng)。在底座的后部設(shè)有一塊蓋板，焊接有掩護(hù)梁千斤頂?shù)膬蓚€(gè)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(dǎo)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(dǎo)向筒上部焊接處在工作中被撕裂，將一個(gè)“回”字形鋼板焊接在導(dǎo)向筒的上部，增加了導(dǎo)向筒的強(qiáng)度。</p><p>　　圖2-7 套筒截面圖</p><p>　　2.3.1.3 底座的強(qiáng)度校核</p&g

62、t;<p>　　在液壓支架的研制，試驗(yàn)過程中，各構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算是極為必要的。由于液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，外載荷特點(diǎn)以及使用條件的特殊性，在強(qiáng)度計(jì)算中的強(qiáng)度條件也有其特殊性。當(dāng)然強(qiáng)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(shí)間的推移，如果上述諸點(diǎn)有變，強(qiáng)度條件也必須作相應(yīng)的調(diào)整。</p><p>　　我國(guó)液壓支架強(qiáng)度計(jì)算中的強(qiáng)度條件：</p><p>

63、　?、?度校核均以材料的屈服極限計(jì)算安全系數(shù)；</p><p>　　⑵ 構(gòu)件、銷軸、活塞桿的屈服極限及強(qiáng)度條件；</p><p>　?、?構(gòu)件通常采用16Mn等普通低合金結(jié)構(gòu)鋼，并由具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的鋼板焊接而成，取＝350MPa；</p><p>　　⑷ 構(gòu)件、銷軸和活塞桿的強(qiáng)度條件[4]為：</p><p><b>　　(2.1)&

64、lt;/b></p><p>　　式中――險(xiǎn)斷面計(jì)算出的最大應(yīng)力，</p><p><b>　　――用安全系數(shù)</b></p><p>　　圖2-8底座受兩端載荷時(shí)的受力簡(jiǎn)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(qiáng)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>　?。?.4）</b></p><p><b>　?。?.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(shí)的受力簡(jiǎn)圖</p><p>　　底座彎曲強(qiáng)度計(jì)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(gè)危險(xiǎn)截面，截面形狀如圖所示，最大彎矩為568.11kN.m，以下對(duì)這個(gè)危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。</p><p>　　圖2-10 底座危險(xiǎn)截面</p><p>　?、儆?jì)算各截面的面積及形心 </p><p>　　由計(jì)算得知，按彎壓聯(lián)合計(jì)算，不如按最大彎曲應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力大。為了安全，采用最大彎曲應(yīng)力進(jìn)行校核

69、。</p><p>　　計(jì)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(duì)每塊鋼板編號(hào)，把位置狀態(tài)相同和截面積相同的鋼板編成一個(gè)號(hào)，然后計(jì)算截面面積最后計(jì)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(jì)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>　?。?.6）</b></p

72、><p>　　每個(gè)零件中心到截面形心的距離：</p><p>　?、谟?jì)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(jì)算每個(gè)零件的對(duì)截面形心的慣性矩</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　?、塾?jì)算抗彎截面模量為</p><p>　　（2.10）

74、 （2.11）</p><p>　　查閱液壓支架相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[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(qiáng)度要求；</b></p><p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　　滿足強(qiáng)度要求。</b

76、></p><p>　　其中:——底座上蓋板處的應(yīng)力；</p><p>　　——底座下蓋板處的應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　2.3.2 頂梁設(shè)計(jì)</p><p>　　此次垂直導(dǎo)桿液壓支架頂梁的設(shè)計(jì)選用對(duì)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，柱窩附近的應(yīng)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(jìn)行焊接，以提高頂梁在柱窩附近的強(qiáng)度。</p><p>　　圖2-11 對(duì)稱五腔式截面</p><p>　　圖2-12 頂梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　頂梁整體采用14mm、16m

78、m及20mm的16Mn鋼板，強(qiáng)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(duì)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(dǎo)桿型液壓支架四種架型進(jìn)行了分析比較，闡述了垂直導(dǎo)桿型液壓支

79、架的特色和優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)垂直導(dǎo)桿型液壓支架的底座、頂梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。</p><p>　　第三章 垂直導(dǎo)桿型液壓支架三維參數(shù)化設(shè)計(jì)</p><p>　　參數(shù)化設(shè)計(jì)近年來已經(jīng)成為機(jī)械CAD系統(tǒng)的重要開發(fā)手段，并在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，其實(shí)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(jì)者可以更好的表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，更加靈活的對(duì)模型進(jìn)行修改[5]。使

80、用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，不僅可以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低設(shè)計(jì)成本，而且可使設(shè)計(jì)人員騰出更多的時(shí)間進(jìn)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(jì)者在創(chuàng)立特征時(shí)靈活方便的定義特征尺寸標(biāo)注，并在特征尺寸之間通過建立數(shù)學(xué)方程式為驅(qū)動(dòng)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(jì)者自行定義的各種外觀參數(shù)間的關(guān)系，設(shè)計(jì)者可以通過修改驅(qū)動(dòng)尺

81、寸和模型，由系統(tǒng)自動(dòng)求解其他尺寸的值，這種方法稱為尺寸驅(qū)動(dòng)。它的最大特點(diǎn)是尺寸被修改時(shí)可以自動(dòng)保證設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖不變，并保證圖形的準(zhǔn)確、完整和易于修改，其實(shí)質(zhì)就是基于對(duì)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(gè)參數(shù)模型。系統(tǒng)將圖形映射到圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中，設(shè)置出圖形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，參數(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)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(guó)的東部及南部地區(qū)被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子

82、、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、家用電器等行業(yè)。實(shí)踐證明，采用Pro/E軟件進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此，Pro/E是工程技術(shù)人員從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)的最佳選擇。在本課題中，本人選擇了Pro/E三維參數(shù)化實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，完成了垂直導(dǎo)桿型液壓支架的整機(jī)三維實(shí)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(dāng)前國(guó)內(nèi)流行的三維參數(shù)化軟件有達(dá)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(guó)PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡(jiǎn)稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corpor

84、ation，簡(jiǎn)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(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)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(jìn)行三維建模，其核心特點(diǎn)[6]有：</p><p>　　⑴ 基于特征建模：特征是一種集成對(duì)象，用于在更高層次上表達(dá)產(chǎn)品的功能和形

85、狀信息。在Pro/E中，特征是指所有的實(shí)體和對(duì)象，如孔、筋、圓角、倒角、抽殼等，特征是由參數(shù)驅(qū)動(dòng)的。</p><p>　　⑵ 參數(shù)化設(shè)計(jì)：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(dāng)外部變量發(fā)生改變時(shí)，受其影響的參數(shù)也會(huì)自動(dòng)發(fā)生相應(yīng)變化。參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)際上是通過尺寸驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。所謂尺寸驅(qū)動(dòng)就是以模型的尺寸來決定模型的形狀。一個(gè)模型是由一組具有一定關(guān)聯(lián)

86、關(guān)系的尺寸進(jìn)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(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)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(lì)在開發(fā)周期的任一時(shí)刻進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，且不會(huì)產(chǎn)生任何損失，使并行工程成為可能。</p><p>

87、;　　⑷ 單一集成數(shù)據(jù)庫(kù)：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(kù)基礎(chǔ)之上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中所使用的數(shù)據(jù)信息全部來自一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)據(jù)相關(guān)，從而可使每個(gè)獨(dú)立用戶同時(shí)開發(fā)同一件產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。</p><p>　　近年來，Pro/E在我國(guó)的東部及南部地區(qū)被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、家用電器等行業(yè)。實(shí)踐證明，采用Pro/E軟件進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此，Pro/E是工程技術(shù)人員從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)的最佳選擇。在本課題中，本人選擇了Pro/E三維參數(shù)化實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，完成了垂直導(dǎo)桿型液壓支架的整機(jī)三維實(shí)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(shí)體參數(shù)化建模</p><p>

89、　　3.2.1 建模方法簡(jiǎn)介</p><p>　　Pro/E是以特征為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將特征視為最小的模型基礎(chǔ)元素。一個(gè)完整的零件模型是由若干個(gè)特征構(gòu)成的；同樣地，組件模型則是由若干個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)二維草繪截面沿著一條曲線移動(dòng)一段距離所產(chǎn)生的特征，而混合特征則是將若干個(gè)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(duì)而言，掃描特征和混

91、合特征更適合于創(chuàng)建形狀比較復(fù)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(dǎo)桿型液壓支架由頂梁、插板、掩護(hù)梁、導(dǎo)桿、底座、前伸梁以及立柱、掩護(hù)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(duì)位置變動(dòng)，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(gè)零件，然后再按照裝配關(guān)系定義其約束或連接關(guān)系進(jìn)行組裝。由于這種情況與整機(jī)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(dòng)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(duì)話框，在類型中選擇【零件】選項(xiàng)，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(xiàng)</p><p>　　⑵ 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(duì)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(zhǔn)面作為草繪平面、RIGHT基準(zhǔn)面為參照平面，單擊【草繪】按鈕即進(jìn)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(zhǎng)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>　?、?在工具欄上單擊按鈕，彈出【基準(zhǔn)平面】對(duì)話框。選擇TOP基準(zhǔn)面作為參照平面，分別輸入偏移距離55、-55即得到DTM1、DTM2兩個(gè)基準(zhǔn)平面。</p><p>　　⑺ 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>　?、?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(fù)制操作面板，這時(shí)，選取TOP基準(zhǔn)面作對(duì)稱平面，即可完成特征鏡像復(fù)制，如3-7所示</p><p><b>　　圖3-7鏡像側(cè)筋板<

97、;/b></p><p>　?、?重復(fù)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(dǎo)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(gè)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(dǎo)桿、掩護(hù)梁、插板等零部件的三維實(shí)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(dǎo)桿</p><p>　　圖3-11掩護(hù)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(jī)虛擬裝配</p><p>　　虛擬裝配是實(shí)際裝配過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過仿真模型，在計(jì)算機(jī)上仿真裝配全過程，實(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)與裝配對(duì)象在設(shè)計(jì)和

100、研制過程難以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)性能。這樣可以使設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)效率，降低產(chǎn)品的成本。</p><p>　　對(duì)液壓支架部件三維實(shí)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(gè)進(jìn)行組裝，最后形成一臺(tái)完整的機(jī)器。很顯然，對(duì)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(jī)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(duì)其進(jìn)行裝配。裝配前，應(yīng)正確分析各個(gè)部件在整機(jī)中的位置、作用，以及相關(guān)部件之間的裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以保證裝配后的整機(jī)定位可靠、運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，裝配時(shí)應(yīng)使

102、用“放置”選項(xiàng)板定義彼此之間的約束關(guān)系；否則，在裝配時(shí)應(yīng)使用“連接”選項(xiàng)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(duì)齊”、“插入”、“坐標(biāo)系”等多種約束類型和“剛性連接”、“銷連接”、“滑動(dòng)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(duì)能否成功地實(shí)現(xiàn)液壓支架的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真至關(guān)重要。為此，四個(gè)立

103、柱和各個(gè)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(hù)梁之間、導(dǎo)桿與導(dǎo)向筒、前伸梁與頂梁之間一律采用“滑動(dòng)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(dāng)被裝配件處于完全約束時(shí)，被裝配件才可能具有確定的運(yùn)動(dòng)，“連接”才會(huì)有效[7]。</p><p>　　完成支架所有部件的裝配后，進(jìn)行干涉檢查，確認(rèn)無誤后即可。完成的垂直</p><p

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

105、機(jī)三維實(shí)體模型，為第四章虛擬樣機(jī)動(dòng)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(jī)與仿真</p><p>　　4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)</p><p>　　4.1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介</p><p>　　虛擬樣機(jī)技術(shù)是上世紀(jì)80年代興起、基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)新概念。虛擬樣機(jī)技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)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(jī)相當(dāng)?shù)墓δ苷鎸?shí)度，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)是利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)來對(duì)其候選設(shè)計(jì)的各種特性進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。</p><p>　　虛擬樣機(jī)本質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)模型，它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。借助于這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性并根據(jù)仿真結(jié)果精簡(jiǎn)和優(yōu)化系統(tǒng)。<

107、/p><p>　　4.1.2 MSC ADAMS軟件</p><p>　　MSC ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（auto dynamic analysis of mechanical systems）,該軟件由美國(guó)MDI公司（mechanical dynamics Inc.）開發(fā)的虛擬樣機(jī)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?，F(xiàn)在ADAMS軟件占據(jù)市場(chǎng)

108、50%的份額，現(xiàn)已經(jīng)并入美國(guó)MSC公司。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)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(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)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(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。</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(jiǎn)稱mechpro 2005),此插件支持模型從PROE中直接導(dǎo)入ADAMS軟件，這部分將在4.2.2中詳細(xì)介紹。</p><p>　　4.2 液壓支架力學(xué)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(jiǎn)圖如4.1所示</p><p>　　圖4-1 支架幾何簡(jiǎn)圖</