液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真-proe

河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘要 當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)已經(jīng)全面完成電圖版工程，我 國(guó) 二維 CAD 技術(shù)的普及結(jié)束了手工繪圖的歷史，對(duì)減輕工程人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益起到了很明顯的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展， CAD 技術(shù)正從二維 CAD 向三維 CAD 過(guò)度，三維建模技術(shù)是 CAD 技術(shù)的核心，建模技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用，代表了 CAD 技術(shù)的發(fā)展水平。三維 CAD/CAE 技術(shù)在產(chǎn)品的三維造型、虛擬裝配、工程圖生成、動(dòng)態(tài)干涉檢驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)仿真等方面帶來(lái)了革命性的突破，極大地提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。 Pro/E 軟件是目前國(guó)內(nèi)外最為先進(jìn)的基于特征的三維參數(shù)化設(shè) 計(jì)系統(tǒng)之一。本論文較系統(tǒng)地闡述了利用 Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)放頂煤液壓支架三維實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。 通過(guò)對(duì)液壓支架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真證明，設(shè)計(jì)支架尺寸合理，運(yùn)動(dòng)靈活，無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉區(qū)域，頂梁前端一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡符合近似雙紐線(xiàn)的要求。 關(guān)鍵詞 ： Pro/E；液壓支架；三維建模；仿真 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(yīng)用現(xiàn)狀 . 2 1.2.1 液壓支架在我國(guó)煤礦生產(chǎn)中的地位和作用 . 2 1.2.2 目前液壓支架的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 . 2 1.2.3 液壓支架未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) . 3 1.3 本課題的確定和主要研究?jī)?nèi)容 . 3 1.4 本課題的研究方法與技術(shù)路線(xiàn) . 4 第 2 章 液壓支架 的總體方案設(shè)計(jì) . 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(hù)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(guān)系 . 8 2.2.1.2 液壓支架架型的分類(lèi) . 8 2.2.1.3 液壓支架選型原則 . 10 2.3 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸 . 11 2.3.1 液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定 . 11 2.3.1.1 支護(hù)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(zhǎng)度 . 13 2.3.1.4 支護(hù)強(qiáng)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(shè)計(jì) . 16 3.1 采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)型號(hào)的確定 . 16 3.2 頂梁的確定 . 16 3.3 對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 . 18 3.4 頂梁主要尺寸的確定 . 18 3.5 掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定 . 20 3.5.1 掩護(hù)梁的作用和用途 . 20 3.5.2 掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)形式 . 20 3.5.3 掩護(hù)梁的參數(shù)確定 . 21 3.6 立柱及主要參數(shù)的確定 . 21 3.6.1 立柱布置 . 21 3.6.2 立柱主要參數(shù)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(shù)化造型設(shè)計(jì)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(shí)體建模 . 29 4.3 液壓支架的整機(jī)裝配 . 30 第 5 章液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真 . 37 5.1 液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真的一般過(guò)程 . 37 5.2 仿真結(jié)果分析 . 39 結(jié)論 . 44 參考文獻(xiàn) . 44 致謝 . 45 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 1.1 液壓支架的發(fā)展史 從歷史來(lái)看，大約在四五十年前工作面還是用木支柱。隨著刨煤機(jī)、鉆削式和滾筒式采煤機(jī)等快速采煤機(jī)的使用，木支柱既不能對(duì)頂板提供足夠大的阻力，其支護(hù)和回收亦難滿(mǎn)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(jié)構(gòu)形式支護(hù)回采工作面。 1954 年，英國(guó)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(gè)月后，英國(guó)奧爾蒙德煤礦煤層的整個(gè)工作面都裝備了這種支架。這就是世界上首個(gè)裝備液壓支架的采煤工作面。從此，開(kāi)創(chuàng)了煤礦工業(yè)的新時(shí)代。 1958 年法國(guó)試驗(yàn)成功了節(jié)式支架。 五十年代末期，為了開(kāi)采煤層厚度超過(guò) 2m 的松散和破碎頂板條件下的褐煤 ，前蘇聯(lián)開(kāi)始研制掩護(hù)式液壓支架，并于 1961 年在阿樂(lè)斯 科拖舉辦的貿(mào)易展覽上展出了 OMKT 型掩護(hù)式支架。這種支架定量很短，僅 0.8m，并與掩護(hù)梁鉸接，單根朝前傾斜液壓支柱連接著掩護(hù)梁和底座。當(dāng)支架在其工作高度范圍內(nèi)升降時(shí)，頂梁頂點(diǎn)相對(duì)于煤壁做圓弧運(yùn)動(dòng)。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(hù)。但比垛式和節(jié)式支架，掩護(hù)式支架能有效的控制頂板，防止開(kāi)采過(guò)程中矸石滲入工作面，工作能力好。 為了保持頂梁端點(diǎn)相對(duì)于煤壁做近似的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在 OMKT 型掩護(hù)式支架的基礎(chǔ)上作了許多改進(jìn)： 60 年代 末和 70 年代初，隨著液壓支架在歐洲使用經(jīng)驗(yàn)的日益增加，支架結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化。長(zhǎng)頂梁、二柱、四柱以及多柱四連桿機(jī)構(gòu)的液壓支架相繼問(wèn)世。并且，為了適應(yīng)底板不平，底座采用分離鉸接結(jié)構(gòu)：對(duì)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(hù)裝置。 1974 年，英國(guó)國(guó)家煤炭局實(shí)施的“高科技采煤工程”推動(dòng)了液壓支架即采煤設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展。這項(xiàng)工程要求在選擇工作面綜合采煤設(shè)備時(shí)，必須采用最先進(jìn)的設(shè)備和開(kāi)采工藝，以提高煤炭產(chǎn)量和改善作業(yè)環(huán)境。 進(jìn)入 70 和 80 年代，液壓支架僅有了 新的發(fā)展。頂梁不僅實(shí)現(xiàn)了“立即前移支護(hù)”，而且整個(gè)支架安裝了電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微電機(jī)控制于操作。 1981 年杜塞爾多夫采礦展覽會(huì)上，展出了液壓連桿式液壓支架和具有液壓調(diào)高機(jī)構(gòu)的掩護(hù)式支架，并研制出采高為 6m 的大采高支架及放頂煤支架；對(duì)堅(jiān)硬巖層設(shè)計(jì)了強(qiáng)力河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 液壓支架等。 我國(guó)液壓支架是從 50 年代末開(kāi)始研制，經(jīng)歷可研制試驗(yàn)、引進(jìn)、仿制和改進(jìn)創(chuàng)新等階段，直到現(xiàn)在的獨(dú)立設(shè)計(jì)階段。目前，除液壓支架電液控制和支架計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與繪圖方面落后于國(guó)外，其他方面均以達(dá)到國(guó)外同期水平。 1.2 液壓支架的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 1.2.1 液 壓支架在我國(guó)煤礦生產(chǎn)中的地位和作用 液壓支架式綜采工作面煤層地下支護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，它的性能的好壞直接影響著礦山企業(yè)的產(chǎn)量和井下人員的安全。 1.2.2 目前液壓支架的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外研究概況 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提出了越來(lái)越高的要求。從設(shè)計(jì)技術(shù)和方法看，三維 CAD 已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流，并正在向著設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、裝配、仿真、制造等集成化的方向發(fā)展；從產(chǎn)品的表現(xiàn)形式看，僅憑二維圖樣作為技術(shù)交流的媒介已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需要，而人們?cè)絹?lái)越熱衷于三維實(shí)體化、形體參數(shù)化、產(chǎn)品形象化。從 產(chǎn)品的市場(chǎng)需求看，則更是要求不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。因此，一些新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)手段，如全數(shù)字化設(shè)計(jì)、無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)等便應(yīng)運(yùn)而生。 國(guó)外 CAD 技術(shù)的研究與應(yīng)用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是優(yōu)秀的 CAD 軟件版本不斷更新，為企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供高效平臺(tái)，二是 CAD 技術(shù)在企業(yè)的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了機(jī)械制造業(yè)的信息化。目前，國(guó)際上流行的 CAD 軟件主要有：美國(guó) PTC公司的 Pro/E、 USS 公司的（ UG）、 Autodesk 公司的 MDT、生信國(guó)際有限公司的 Solid Works、 SDRC 公司的 I-DEAS 等，它們都是以三維參數(shù)化實(shí)體造型為基礎(chǔ)的 CAD 系統(tǒng)。特別是 Pro/E 所采用的單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)的概念改變了機(jī)械 CAD 的傳統(tǒng)觀(guān)念，并已成為當(dāng)今機(jī)械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。利用該概念開(kāi)發(fā)出來(lái)的第三代機(jī)械產(chǎn)品， Pro/E 能將設(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程。 國(guó)外應(yīng)用 CAD 技術(shù)比較成功的企業(yè)有：美國(guó)的波音公司、通用汽車(chē)公司、歐洲威爾泵業(yè)公司（ Weir PumpsLtd.）、日本三菱電機(jī)公司等。 CAD 技術(shù)曾為這河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 些企業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 如：美國(guó)福特公司應(yīng)用三維 CAD 技術(shù)后，將新型汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期從 18 個(gè)月壓縮到 l2 個(gè)月，減少了 90%的實(shí)物模型，減少新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更改 50% 以上，減少新汽車(chē)試制成本 50%，提高投資收益30%。 我國(guó)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(duì)轎車(chē)懸架及整車(chē)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行的仿真分析，詹文章博士對(duì)轉(zhuǎn)向架和車(chē)輛的虛擬制造技術(shù)進(jìn)行的研究，吳濤博士在面向自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程的三維特征建模技術(shù)研究的基礎(chǔ)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(guó) CAD 技術(shù)的研究水平。但目 前國(guó)內(nèi) CAXA 等三維 CAD 軟件的成熟度不高，市場(chǎng)占有率不到 15%。前不久，中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)對(duì)機(jī)械制造企業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示：我國(guó)制造業(yè) CAD 應(yīng)用基本普及，但只是“甩掉了圖板”，使用基于三維產(chǎn)品模型的 CAD/CAM 技術(shù)的企業(yè)不多，將三維參數(shù)化 CAD 技術(shù)應(yīng)用于液壓支架等煤炭機(jī)械方面的研究在近兩年才剛剛開(kāi)始，目前尚處于起步階段。 由于液壓支架是煤炭礦井開(kāi)采中一種非常重要的支護(hù)設(shè)備，其性能如何將直接對(duì)井下生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率產(chǎn)生重大影響。因此，本課題的研究與開(kāi)發(fā)不僅具有重要的理論研究意義，更具有巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 1.2.3 液壓支架未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 全球經(jīng)濟(jì)的一體化使得機(jī)械產(chǎn)品市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，各企業(yè)必須不斷縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能，降低研發(fā)成本。在這種要求下，使得以虛擬樣機(jī)技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，虛擬設(shè)計(jì)逐步成為機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種全新的設(shè)計(jì)及方法。運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期、設(shè)計(jì)、分析和評(píng)估產(chǎn)品的性能，確定和優(yōu)化物理樣機(jī)參數(shù)，從而降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。 1.3 本課題的確定和主要研究?jī)?nèi)容 長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)液壓支架進(jìn)行設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)模擬主要是通過(guò)數(shù)據(jù) 和二維圖形進(jìn)行的，局限性大。本文將三維參數(shù)化造型、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真引進(jìn)液壓支架的設(shè)計(jì)中，以及縮短開(kāi)發(fā)周期，減少研發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 本文分析了液壓支架的工作原理，進(jìn)行了液壓支架整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及主要部件的設(shè)計(jì)。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 1.4 本課題的研究方法與技術(shù)路線(xiàn) 本文利用 PRO/E 對(duì)液壓支架進(jìn)行快速建模，然后利用其運(yùn)動(dòng)模塊（ MECHANISM）實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓支架的升柱、降柱、推溜、移架等的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，分析仿真結(jié)果表明建立的模型和設(shè)置的仿真參數(shù)的正確，支架尺寸合理，運(yùn)動(dòng)靈活，無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉區(qū)域， 頂梁前端一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)合近似雙鈕線(xiàn)的要求。 第 2 章 液壓支架 的總體方案設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)件，頂梁、底座、掩護(hù)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(lèi)千斤頂。其主要功能是實(shí)現(xiàn)支架的各種動(dòng)作，產(chǎn)生液壓動(dòng)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(dòng)作及保證所需的工作特性。 4）輔助裝置，如推移裝置、護(hù)幫（或跳梁）裝置、伸縮梁（ 或插板）裝置、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、防護(hù)倒滑裝置、連接件等。這些裝置時(shí)為實(shí)現(xiàn)支架的某些動(dòng)作或功能所必需的裝置。全閥等各類(lèi)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(chǎn)過(guò)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(xiàng)作業(yè)正常進(jìn)行，必須對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。而液壓支架式以高液體作為動(dòng)力，由液壓元件與金屬構(gòu)件組成的支護(hù)和控制頂板的設(shè)備，它能夠?qū)崿F(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機(jī)燈一整套工序。實(shí)踐表明液壓支架具有支護(hù)性能好、強(qiáng)度高，移架速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。液壓支架與可彎 曲輸送機(jī)和采煤機(jī)組合機(jī)械化采煤設(shè)備，他的應(yīng)用對(duì)增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動(dòng)和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施，因此液壓支架式技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理，安全上可靠、是實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化和自動(dòng)河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 化不可缺少的主要設(shè)備。 2.1.2 液壓支架的工作原理 液壓支架在工作過(guò)程中，必須具備升、降、推、移四個(gè)基本動(dòng)作，這些動(dòng)作是利用泵站供給的高壓乳化液通過(guò)工作性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓缸來(lái)完成的。 1)升柱 當(dāng)需要支架上升支護(hù)頂板時(shí)，高壓乳化液進(jìn)入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動(dòng)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(dāng)需要將柱時(shí)，高壓液進(jìn)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(yùn)輸機(jī)的前移，都是由底座上的推移千斤頂來(lái)完成。當(dāng)需要支架前移時(shí)，先降柱卸載，然后高壓液進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一回液腔，以輸送機(jī)為支點(diǎn)，缸體前移，把整個(gè)支架拉回煤壁；當(dāng)需要推輸送機(jī)時(shí)，支架支撐動(dòng)版都，高壓液進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊?，另一腔回液，以支架為支點(diǎn)，使活塞桿伸出，把輸送機(jī)推向煤壁。 支架的支撐力與時(shí)間的曲線(xiàn)，稱(chēng)為支架的工作特性曲線(xiàn)，如圖 2-2 所示。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 圖 2-2 支架立柱工作時(shí)，其支撐力隨時(shí)間的變化過(guò)程可分為三個(gè)階段。支架在升柱時(shí)，高壓液進(jìn)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(dāng)增加到泵站工作壓力時(shí)，泵站自動(dòng)卸載，支架的液控單向閥關(guān)閉，立柱下腔壓力達(dá)到初撐力，此階段為初撐力階段 T0。 此時(shí)支架對(duì)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(shù)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(shù)量。合理地初撐力是防止直接頂過(guò)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(chǎn)的關(guān)鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來(lái)提高初撐力，以免立柱的缸徑過(guò)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(diào)正壓力，立柱下腔壓力達(dá)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(guò)支架安全閥壓力調(diào)節(jié)正值時(shí)，安全閥打開(kāi)而溢流， 立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當(dāng)?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整值后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限制下，壓力曲線(xiàn)隨時(shí)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 32 104 nPDp a KN 式中 ap -支架安全閥的調(diào)定壓力 MPa； 支架的工作阻力標(biāo)志著指甲的最大承載能力。 對(duì)于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，其初撐力和工作阻力的計(jì)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(gè)重要參數(shù)，它表示支架支撐力的大小，但是 ，由于支架的頂梁長(zhǎng)短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對(duì)頂板的支撐能力。因此，常用單位支護(hù)面積頂板上受支架工作阻力的大小，即支護(hù)強(qiáng)度來(lái)表示支架的支護(hù)性能。即 310 fpqMPa 式中 f -支架的支護(hù)面積， 2m 。 2.1.3 液壓支架的支護(hù)方式 綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。 3 個(gè)工序的不同組合順序，可形成液壓支架的 3 種支護(hù)方式，從而決定工作面“三機(jī)”的不同配套關(guān)系。 1）即時(shí)支護(hù) 一般循環(huán)方式為：割煤 移 架 推溜，工作面“三機(jī)”的配套關(guān)系。即時(shí)支護(hù)的特點(diǎn)是，頂板暴露距離較小。適用于各種頂板條件，是目前應(yīng)用最廣泛的支護(hù)方式。 2）滯后支護(hù) 一般循環(huán)方式為：割煤 推溜 移架。滯后支護(hù)的特點(diǎn)是，支護(hù)滯后時(shí)間較長(zhǎng)，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定，完整的頂板。 3）復(fù)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(fù)合支架的特點(diǎn)是：支護(hù)滯后時(shí)間短，丹增加了反復(fù)支撐次數(shù)，可適用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加， 適應(yīng)高效要求，目前應(yīng)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 2.2.1.1 液壓支架的支撐力與載荷關(guān)系 支撐掩護(hù)式支架式為了改善上述兩類(lèi)支架的性能和對(duì)頂板的適應(yīng)性而設(shè)計(jì)的。主體部分接近垛式，支架后部有四連桿機(jī)構(gòu)和掩護(hù)梁，增加了支架的穩(wěn)定性和防護(hù)性，提高了支架的支護(hù)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(yīng)范圍，適用于頂板較堅(jiān)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(lèi) 按照液壓支架在采煤工作面安裝的位置來(lái)劃分有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡(jiǎn)稱(chēng)斷頭 支架，專(zhuān)門(mén)安裝在每個(gè)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(lèi)：支撐式、掩護(hù)式、支撐掩護(hù)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(zhǎng)，支柱較多并呈垂直分布，支架的穩(wěn)定性由支柱的復(fù)位裝置來(lái)保證。因此底座堅(jiān)固，它靠支柱和頂梁的支撐作用控制工作面得頂板，維護(hù)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(qiáng)烈，地板較硬的煤層。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 2-4 掩護(hù)式支架：掩護(hù)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(duì)頂板的作用力均勻：抵抗直接頂水平運(yùn)動(dòng)的能力強(qiáng)：防護(hù)性能好調(diào)高范圍大、對(duì)煤層變化適應(yīng)性強(qiáng)：但整架工作阻力小，通風(fēng)阻力大、工作空間小。這類(lèi)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(hù)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(hù)式支架：支撐掩護(hù)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(hù)梁上。支柱兩排，每排1-2 根，剁成傾斜布置，靠采空區(qū)一側(cè)，裝有掩護(hù)兩盒四連桿機(jī)構(gòu)。它的支撐力大，切頂性能好，防護(hù)性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，價(jià)格貴，不便于運(yùn)輸。這類(lèi)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(qiáng)烈的周期來(lái)壓，瓦斯儲(chǔ)量較大的中厚煤層中。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(shè)備適應(yīng)礦井和工作面的條件，投產(chǎn)后能做到高產(chǎn)、高效、安全，并為礦井的集中生產(chǎn)、優(yōu)化管理和最佳經(jīng)濟(jì)效益提供條件，因此必須根據(jù)礦井的煤層、地質(zhì)、技術(shù)和設(shè)備進(jìn)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(jù)頂板的級(jí)別直接選出架型。 當(dāng)煤層厚度超過(guò) 2.5m 時(shí)，頂板有側(cè)向推力時(shí)，應(yīng)選用抗扭能力強(qiáng)制家，一般不宜先用支撐式支架。 當(dāng)煤層厚度達(dá)到 2.52.8m 以上時(shí)，需要選擇有護(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架，煤層厚度變化大時(shí)，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大的掩護(hù)式雙伸縮立柱的支架。 應(yīng)使支架對(duì)底板的比壓不超過(guò)底板的抗壓強(qiáng)度。在底板較軟的條件下，應(yīng)選用抬底裝置的支架或插腿掩護(hù)式支架。 煤層傾角 10 時(shí)，支架課不設(shè)倒滑裝置 1525 度時(shí)，排頭支架應(yīng)設(shè)放倒滑裝置，工作面中部輸送 機(jī)設(shè)防滑裝置，工作面中部支架設(shè)底設(shè)千斤頂，工作面中部輸送機(jī)設(shè)防滑裝置。 對(duì)瓦斯涌出量大的工作面，應(yīng)符合保安規(guī)定的要求，并優(yōu)先選用通風(fēng)面積大的支撐式或支撐掩護(hù)式支架。 當(dāng)煤層為軟煤時(shí)，支架最大采高一般 2.5m；中硬煤層時(shí)，支架最大采高一般 3.5m；硬煤層時(shí)，支架最大采高 5m。 在同時(shí)允許選用幾種架型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用價(jià)格便宜的支架。 斷層十分發(fā)育，煤層變化過(guò)大，頂板的允許暴露 58 m2 ，時(shí)間在 20 分鐘以上時(shí)，暫不宜采用 綜采。 特殊架型的選擇可根據(jù)特殊架型中各節(jié)的適用條件進(jìn)行選擇。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 液壓支架設(shè)計(jì)的原始條件 如表 2-1 所示。 表 2-1 老頂 級(jí)別 直接頂 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支架類(lèi)型 掩護(hù)式 掩護(hù)式 支撐式 掩護(hù)式 掩護(hù)式獲支撐是 掩護(hù)式 支撐掩護(hù)式 支撐掩護(hù)式 支撐或支撐掩護(hù)式 支撐或支撐掩護(hù)式 支撐方式 采高 2.5m 支架支護(hù)強(qiáng)度 采高 1 2 3 4 0.294 1.3 0.294 1.6 0.249 2 0.294 應(yīng)結(jié)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(hù)強(qiáng)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(hào)內(nèi)的數(shù)字式掩護(hù)式支架的支護(hù)強(qiáng)度。表中所列支護(hù)強(qiáng)度在選用時(shí)，課根據(jù)本礦情況允許有 5%的波動(dòng)范圍。 表中 1.3、 1.6、 2 分別為、級(jí)老頂?shù)姆旨?jí)增壓系數(shù)；級(jí)老頂只能給出最低值 2，選用時(shí)可根據(jù)本礦的實(shí)際情況確定適宜值。 2.3 液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸 2.3.1 液壓支架基本技術(shù)參數(shù)的確定 2.3.1.1 支護(hù)高度 原始條件： 支撐掩護(hù)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 底板性能： 中硬 瓦斯含量不大 支架高度確定原則，應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來(lái)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(shí)，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(shí)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(jù)支架型式來(lái)確定，但由于每支架的 推移千斤頂都與工作面輸送機(jī)的一節(jié)溜槽相連，因此目前主要根據(jù)刮板輸送機(jī)溜槽每節(jié)長(zhǎng)度及槽幫上千斤頂鏈接塊的位置來(lái)確定，我國(guó)刮板輸送機(jī)溜槽長(zhǎng)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(yīng)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(shè)計(jì)預(yù)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(yīng)考慮支架的運(yùn)輸、安裝河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 和調(diào)架要求。支架頂梁一般裝有活動(dòng)側(cè)護(hù)板，側(cè)護(hù)板行程一般為 170200mm。當(dāng)支架中心間距為 1.5 米時(shí)，最小寬度一般取 14001430mm，最大寬度一般取15701600mm。當(dāng)支架中心距為 1.75 米時(shí)，最小寬度一般取 16501680mm，最大寬度一般取 18501880mm。當(dāng)支架中心間距為 1.25m 時(shí)，如果頂梁帶有活動(dòng)側(cè)護(hù)板，則最小寬度 11501180mm，最大寬度一般取 13201350mm，如果頂梁不帶活動(dòng)側(cè)護(hù)板，則一般取 11501200mm。本次選取 11501200mm。 2.3.1.3 底座長(zhǎng)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(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮一下幾個(gè)方面：支架對(duì)底板的接觸比壓要小；支架內(nèi)部應(yīng)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(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取 3.5 倍的移架步距，即 2.1 米左右；支撐掩護(hù)式支架對(duì)底座長(zhǎng)度取 4 倍的移架步距，即 2.4米左右。本次設(shè)計(jì)地作為 2.4 米左右。 2.3.1.4 支護(hù)強(qiáng)度 本次設(shè)計(jì)中支撐掩護(hù)式支架的支護(hù)強(qiáng)度 q，可用插入法求得，按下式計(jì)算： 12 1)( 121 hh hHx Xqqqq （ 2 3） 式中： qx 支架名義支護(hù) 強(qiáng)度。（ KN/m2） q1 采高 h1 所對(duì)應(yīng)的支護(hù)強(qiáng)度，見(jiàn)表 2 1 q2 采高 h2 所對(duì)應(yīng)的支護(hù)強(qiáng)度，見(jiàn)表 2 1 h1 q1 對(duì)應(yīng)的采高（ m）見(jiàn)表 2 1 h2 q2 對(duì)應(yīng)的采高（ m） 見(jiàn)表 2 1 Hx 支架的結(jié)構(gòu)高度，在 h2h1 之間。 對(duì)應(yīng)最大結(jié)構(gòu)采高 Hx=5.25m 時(shí) h1=3m q1=705.6KN/m2 h2=4m q2=862.4 KN/m2 將各數(shù)據(jù)代入式（ 2 3）得采高最大時(shí)支架支護(hù)強(qiáng)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)，中檔后部上方為相形結(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)一過(guò)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(qiáng)度好，底座底座接觸面積大，有利于減小對(duì)底座的 比壓，但中檔推移機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)直接落在煤層底板上，前立柱柱窩前有過(guò)橋，中檔后部上方為箱型結(jié)構(gòu)。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(yīng)高產(chǎn)高效要求，但減少了底座接觸面積，增大了對(duì)地板的比壓。 目前高產(chǎn)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(duì)獨(dú)立的兩個(gè)部分，從中檔處 鉸接，左右底座在垂直方向可以相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，無(wú)剛性約束。這種底座對(duì)地板不平的適應(yīng)性好，減少了底座的扭轉(zhuǎn)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(guó)用的比較少。 根據(jù)常用底座的各自特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用整體剛性底座。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第 3 章 液壓支架的主要部件設(shè)計(jì) 3.1 采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)型號(hào)的確定 根據(jù)配套尺寸關(guān)系，在設(shè)計(jì)中選用采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)型號(hào)為： 采煤機(jī)： MLS3PH 型 運(yùn)輸機(jī)： 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(guān)系圖，如圖 3-1 所示。 圖 3-1 液壓支架配套關(guān)系圖 3.2 頂梁的確定 頂梁是與頂板直接接觸的構(gòu)件，除滿(mǎn)足一定的剛度和強(qiáng)度要求以外，還要保證支護(hù)頂板的需要。 頂梁的作用及用途 頂梁作用是支護(hù)頂板一定面積的直接承載部件，并為立柱、掩護(hù)梁、護(hù)頂裝置等提供必要的鏈接點(diǎn)。 用途； a.用于支撐維護(hù)控頂區(qū)的頂板。 b.承受頂板的壓力。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 c.將頂板載荷通過(guò)立柱、掩護(hù)梁、前后連桿經(jīng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好；頂梁對(duì)頂板載荷的平衡能力較強(qiáng)；前端支撐力較大；可以設(shè)置全長(zhǎng)側(cè)護(hù)板，有利于提高頂板覆蓋率，改善支護(hù)效果，減少支架間漏矸。為改善接頂效果和補(bǔ)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(jié)構(gòu)頂梁分前后梁并接前梁設(shè)有前梁千斤頂，支撐 靠近煤壁處的頂板，同時(shí)還可以調(diào)整前梁的上下擺角，以適應(yīng)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(jié)構(gòu)前梁有深深千斤頂使它伸縮，因此及時(shí)伸出支護(hù)剛暴露的頂板，從而可使頂梁長(zhǎng)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(dòng)。 圖 3-3 支撐掩護(hù)式頂梁的結(jié)構(gòu)形式 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)選用鉸接前梁的剛性頂梁的結(jié)構(gòu)型式。 3.3 對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 1）支架工作方式對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 支架工作方式對(duì)支架頂 梁長(zhǎng)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(chēng)及時(shí)支護(hù)方式）要求頂梁有較大長(zhǎng)度；先推溜后移架方式（又稱(chēng)后支護(hù)方式）要求頂梁長(zhǎng)度較短。這是因?yàn)椴捎孟韧屏锏墓ぷ鞣绞剑Ъ芤拜斔蜋C(jī)一個(gè)步距，以便采煤機(jī)過(guò)后，支架能及時(shí)前移，支控新暴露的頂板，做到及時(shí)支護(hù)。因此，先移架后推溜時(shí)頂梁長(zhǎng)度要比先提留后移架時(shí)的頂梁長(zhǎng)度要長(zhǎng)一個(gè)步距，一般為 600mm。 配套尺寸對(duì)頂梁長(zhǎng)度的影響 設(shè)備配套尺寸與支架長(zhǎng)大衣有直接關(guān)系。為了防止當(dāng)采煤機(jī)向支架內(nèi)傾斜時(shí)，采煤機(jī)滾筒不載割頂梁，同時(shí)考慮到采煤機(jī)載割時(shí)，不一定 把煤壁載割成一垂直平面，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，要求頂梁前端煤壁最小距離為 300mm，這個(gè)距離叫空頂距。另外在輸送機(jī)鏟煤版前也留有一定距離。一般為 135150mm，也是為了防止采煤機(jī)載割煤壁不齊，給推移輸送機(jī)留有一定的距離。除此之外，所有配套設(shè)備包括采煤機(jī)和輸送機(jī)，均要在頂梁掩護(hù)之下工作，在此來(lái)計(jì)算頂梁長(zhǎng)度。 3.4 頂梁主要尺寸的確定 1）定量長(zhǎng)度 Lg 頂梁長(zhǎng)度【配套尺寸 +底座長(zhǎng)度 +A cosQ1】 -【 G cosp1+300+e】 （ 3-2） 式中： 配套尺寸為 2109mm 底座長(zhǎng)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(shù)為 3037mm 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 2)定量面積 A A=Lg B （ 3-3) B-頂梁寬度 mm，在本次設(shè)計(jì)中頂梁寬度為 1500mm. 代入公式（ 3-3）得 A=3037 1500=4.55m2 3)支護(hù)面積 FC FC=BC(Lg+ )m2 （ 3-4) 式中： 移架后頂梁前端點(diǎn)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(hù)阻力 F1 F1= FC q x （ 3-5） 式中： FC 支護(hù)面積 m2 q x 支護(hù)強(qiáng)度 KN/m2 支架在最高處的理論支護(hù)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(guān)尺寸的確定 確定立柱上絞點(diǎn)，前梁千斤 頂、前后梁絞點(diǎn)、掩護(hù)梁與頂梁絞點(diǎn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 3-4 支架結(jié)構(gòu)尺寸 3.5 掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定 3.5.1 掩護(hù)梁的作用和用途 掩護(hù)梁是支架的掩護(hù)構(gòu)件，它有承受冒落矸石的載荷和頂板通過(guò)定量傳遞的水平載荷引起的彎矩，掩護(hù)梁的用途，掩護(hù)梁承受頂梁部分載荷和掩護(hù)梁背部載荷并通過(guò)前后連桿傳遞給底座。掩護(hù)梁承受對(duì)知己的水平作用力及偏載扭矩。掩護(hù)梁和頂梁（包括活動(dòng)側(cè)護(hù)板）一起，構(gòu)成了支架完善的支撐和掩護(hù)體，完善了至今啊的掩護(hù)和擋矸性能。 3.5.2 掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)形式 掩 護(hù)梁的結(jié)構(gòu)為鋼板焊接的箱式結(jié)構(gòu)，在掩護(hù)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(hù)梁上焊有立柱柱窩?；顒?dòng)側(cè)護(hù)板裝在掩護(hù)梁的兩側(cè)。從側(cè)面看掩護(hù)梁，其形狀有直線(xiàn)型、折線(xiàn)型。如圖 3-5 所示。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 圖 3-5 掩護(hù)梁的結(jié)構(gòu)形式 1-頂梁； 2-掩護(hù)梁； 3-立柱； 4-前連桿； 5-后連桿 6-底座； 7-限位千斤頂梁的結(jié)構(gòu)型式 折線(xiàn)型相對(duì)直線(xiàn)型支架端面大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，但工藝性差。所以很少采用，從掩護(hù)梁的寬度方向來(lái)分，可分為整體式和對(duì)分式兩種。對(duì)分式結(jié)構(gòu)尺寸小，易于加工、運(yùn)輸和安裝，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差。所以本次設(shè) 計(jì)采用的式整體式、直線(xiàn)型。 3.5.3 掩護(hù)梁的參數(shù)確定 1）掩護(hù)梁的長(zhǎng)度；掩護(hù)梁就是兩鉸點(diǎn)的距離，由前面的四連桿機(jī)構(gòu)可知，掩護(hù)梁長(zhǎng)大長(zhǎng)度為 2485mm。 2）掩護(hù)梁寬度 By；本設(shè)計(jì)掩護(hù)梁寬度與頂梁寬度相同，所以掩護(hù)梁寬度為1500mm。 3）掩護(hù)梁上前后連桿焦點(diǎn)位置；通過(guò)比較，可確定前后連桿鉸點(diǎn)位置（水平和垂直方向）具體尺寸可以通過(guò)圖 2-5 中掩護(hù)梁部分可知。 3.6 立柱及主要參數(shù)的確定 立柱是支架的承壓構(gòu)件，它長(zhǎng)期處于高壓受力的狀態(tài)，它除應(yīng)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(qiáng)度、良好的密封性能，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，并能適應(yīng)支架的工作要求。 3.6.1 立柱布置 1）立柱數(shù)；目前國(guó)內(nèi)支撐式支架立柱數(shù)為 26 根，常用 4 根；掩護(hù)式支架為 2 柱；支撐掩護(hù)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(hù)式支架為傾斜布置，這樣可克服一部分水平力，并能增大調(diào)高范圍。一般立足軸線(xiàn)與頂梁的垂線(xiàn)夾角小于河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 30 度（支架在最低位置時(shí)），由于角度較大，可使調(diào)高范圍增加。支撐掩護(hù)式支架，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求呈傾斜或垂直布置，一般立柱軸線(xiàn)與頂梁垂線(xiàn)夾角小于 100（支架在最高位置時(shí)），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(hù)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(hù)式支架的立柱間距為 11.5m。 4）立柱類(lèi)型；立柱按動(dòng)作方式，分為單作用和雙作用；結(jié)構(gòu)分類(lèi)，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(lèi)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(shù)確定 1）立柱缸體內(nèi)徑和活塞外徑 a.立柱缸體內(nèi)徑的確定 madd apnFDcos140 （ 3-7） 式中： D 立柱缸體內(nèi)徑 mm F1 支架承受的理論支護(hù)阻力 KN nd 每架支架立柱數(shù) 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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)取 31.5MPa 的泵站乳化液到支架的壓力一般為 2425MPa。但對(duì)于只考慮支架的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)一般都辦泵站壓力做為計(jì)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(diào)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(jì)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(jì)算： cpDp )3.2( （ 3-10） 式中： p 缸內(nèi)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(qiáng)度系數(shù)，無(wú)縫鋼管取 =1； 【 】 缸體材料許用應(yīng)力， Mpa，缸體選用用 27SiMn，【 】=980MPa； D 立柱缸體內(nèi)徑， cm； 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： =14.7mm 圓整，取 =20mm 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 3） 立柱強(qiáng)度校核 立柱缸體壁厚強(qiáng)度驗(yàn)算 a）缸體壁厚驗(yàn)算 當(dāng)D 3.2 時(shí)，按中等壁厚缸體公式進(jìn)行計(jì)算： )(3.2 )( c cDp （ 3-11） 式中： 缸體實(shí)際最大承壓， Mpa。 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得： =210.6 Mpa 安全系數(shù)為： bn n （ 3-12） b 缸體材料為 27SiMn 尢縫 鋼 管， b =1000MPa n 安全系數(shù)，一般取 3.4； 代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得 : n=980/210.6=4.56 n b）缸體與缸底焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算 缸體與缸底焊縫強(qiáng)度按下公式計(jì)算； 12020 )(410dDp Mpa (3-13) 式中： d0 環(huán)形焊縫內(nèi)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(guān)數(shù)據(jù)，得： =146.7Mpa 焊縫抗拉強(qiáng)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(hù)式支架中平衡千斤頂?shù)耐埔屏屠τ?jì)算，平衡千斤頂位置應(yīng)該按如下方法計(jì)算確定。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 3.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 為了保護(hù)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?shù)耐屏屠Φ龋?，必須適應(yīng)頂板載荷分布。當(dāng)立柱的上、下柱窩位置卻定后，就可以根據(jù)頂板載荷分布來(lái)確定平衡千斤頂?shù)奈恢?，現(xiàn)按兩種情 況進(jìn)行分析。 當(dāng)頂梁前端出現(xiàn)空頂時(shí)，頂梁后端載荷加大，頂板載荷合力作用點(diǎn)位置后移， 此時(shí)平衡千斤頂要受拉力，為使支架支撐力分布適應(yīng)頂板載荷分布，假設(shè)合力作用點(diǎn)位置在頂梁后端 0.27 倍頂梁長(zhǎng)度出來(lái)進(jìn)行計(jì)算。 當(dāng)頂梁后端出現(xiàn)空頂時(shí)，頂梁前端載荷加大，頂板載荷合力作用點(diǎn)位置后移，此時(shí)平衡千斤頂受壓力，為使支架支撐力分布適應(yīng)頂板載荷分布，假設(shè)合力作用點(diǎn)位置在頂板的定量后端 0.35 倍頂梁長(zhǎng)度出來(lái)進(jìn)行計(jì)算。 3.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 取頂梁和掩護(hù)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 圖 3-7 式中 :P8 平衡千斤頂?shù)耐屏?、拉力（推力取?+”、拉力取“ -”）。 W 頂梁與掩護(hù)梁之間的摩擦系數(shù)，計(jì)算時(shí)取 0.3。 1 支架在最高位置時(shí)的 立柱傾角 . 2 支架在最高位置時(shí)平衡千斤頂?shù)膬A角。 為使平衡千斤頂與掩護(hù)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(hù)梁平行， 1 可以取支架在最高位置時(shí)頂梁上平面和掩護(hù)梁的夾角。 h7 平衡千斤頂活塞桿鉸點(diǎn)至頂梁面之距，當(dāng)支架降到頂梁和掩護(hù)梁成1800 時(shí)，為使平衡千斤頂不與掩護(hù)梁發(fā)生干涉，所以可以按下式進(jìn)行計(jì)算： bbe DBhh 2217（ mm） （ 3-15） 式中 Be 掩護(hù)梁厚度（ m） Db 平衡千 斤頂外徑（ m） b 平衡千斤頂外徑與掩護(hù)梁間之間隙，一般取 0.030.05m h1 瞬心點(diǎn)至頂梁和掩護(hù)梁鉸點(diǎn)之距（ m） L1 立柱柱窩中心至平衡千斤頂上鉸點(diǎn)之距（ m） L2 平衡千斤頂上鉸點(diǎn)至頂梁和掩護(hù)梁鉸點(diǎn)之距（ m） X 支護(hù)阻力合力作用點(diǎn)位置。 平衡千斤頂在拉力時(shí)，取 X=0.27Lg；平衡千斤頂在推力時(shí)，取 X=0.35 Lg （ 3-16） 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 式中 Lg 為頂梁長(zhǎng)度。 1）平衡千斤頂?shù)男谐淘O(shè)計(jì)計(jì)算 為了 防止平衡千斤頂?shù)亩h(huán)或平衡千斤頂本身拉環(huán)，對(duì)平衡千斤頂?shù)男谐逃腥缦乱螅寒?dāng)支架在最高位置時(shí)，頂梁能下擺 150；支架在最低位置時(shí)頂梁能上擺 100，或頂梁和掩護(hù)梁近似成 1800。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取如下兩種情況：假設(shè)平衡千斤頂?shù)幕钊可斐鰰r(shí)頂梁和掩護(hù)梁成 1800；平衡千斤頂?shù)幕钊靠s回時(shí)，支架恰好在最高位置。 2）平衡千斤頂在掩護(hù)梁上位置的確定 平衡千斤頂?shù)男谐檀_定后，即可確定它在掩護(hù)梁上的位置 2311257 LsbaLLL (3-17) 式中 1 當(dāng)活塞全部縮回后，缸體上鉸點(diǎn)至活塞上部之距。 b1 當(dāng)活塞桿全部縮回時(shí)，活塞桿鉸點(diǎn)至活塞腔出油孔中心線(xiàn)之距。 bbeDBL 226 （ 3-18） 通過(guò) L6 和 L7 的計(jì)算，平衡千斤頂在掩護(hù)梁上的位置就確定了。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 第 4 章 三維參數(shù)化造型設(shè)計(jì)與裝配 隨著科技的發(fā)展，單一使用二維 CAD 技術(shù)進(jìn)行液壓支架設(shè)計(jì)已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需求。在科研人員到各煤礦和生產(chǎn)廠(chǎng) 家進(jìn)行方案匯報(bào)、項(xiàng)目招標(biāo)的過(guò)程中，利用 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 軟件建立的支架三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)仿真分析，將支架的每一個(gè)部件結(jié)構(gòu)，每一層裝配關(guān)系，各種運(yùn)動(dòng)軌跡都清晰、直觀(guān)的顯示出來(lái)，從視覺(jué)上帶給客戶(hù)更感性的認(rèn)識(shí)，收到了很好的效果。 現(xiàn)階段比較有代表性、應(yīng)用廣泛的三維 CAD 軟件有：美國(guó) 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(tái)下基于特征的參數(shù)化造型技術(shù)和變量化造型技術(shù)的三維實(shí)體造型系統(tǒng)，具有杰出的機(jī)械裝配設(shè)計(jì)和制圖性能，能夠方便地與 windows 平臺(tái)下其它應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和鏈接操作。 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 強(qiáng)大的建模功能可以完成任何復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)，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(lèi)零件、裝配件等實(shí)體進(jìn)行投影，生成符合制圖標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖，極大地方便了液壓支架零部件的設(shè)計(jì)，因此確定采用 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 軟件來(lái)進(jìn)行液壓支架三維實(shí)體的建模。 4.1 液壓支架建模與裝配的目的 Mechanism（機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析）模塊是 PRO/E 軟件中包含的一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析和仿真模塊，該模塊即可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的定義、建立零件之間的連接及裝配自由度，對(duì)輸入軸添加相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng)，又可以在分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)觀(guān)察和記錄分析仿真過(guò)程的一些測(cè)量值，如位置、速度、和加速度等，還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查和運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)的修改和調(diào)整、虛擬裝配、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析等。 一般對(duì)于開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，造型的近期目標(biāo)就是為了修改。具體到支架設(shè)計(jì)，由于每次設(shè)計(jì)所需要的支護(hù)強(qiáng)度個(gè)不相同，所以設(shè)計(jì)的支架模型在完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)后，還要通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算同時(shí)確保支架總重量不超過(guò)一定數(shù)值，因此支架模型只有在通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算合格和總重量不超標(biāo)的情況下才能正式確定下來(lái)。也可以說(shuō)，在設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)構(gòu)完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 以便在今后的零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨時(shí)可以方便地對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)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(xì)小 特征（如較小的圓角和倒角）可以忽略，還可以將有關(guān)部件直接繪成一個(gè)零件模型，減少模型儲(chǔ)存量及縮短模型再生時(shí)間，從而提高了工作效率。 要明確裝配的目的：裝配是運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)，裝配的好與壞直接影響到運(yùn)動(dòng)仿真的進(jìn)行，只有在模型裝配好之后才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。 4.2 液壓支架的三維實(shí)體建模 對(duì)液壓支架整機(jī)的三維實(shí)體建模一般采用自下向上的方法，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)系逐個(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，是完成液壓支架整機(jī)建模的關(guān)鍵。在本次設(shè)計(jì)中主要采用拉伸命令進(jìn)行建模。 本文將以頂梁的建模過(guò)程作為代表。 打開(kāi) PRO/E4.0，點(diǎn)擊新建按鈕出現(xiàn)對(duì)話(huà)框，設(shè)置如圖 4-1 所示 ,點(diǎn)擊 確定 ，之后選擇 mmns_part_solid，點(diǎn)選確定，之后就進(jìn)入了零件的建模窗口。點(diǎn)擊 ，之后點(diǎn)擊放置按鈕，進(jìn)入草繪面選擇對(duì)話(huà)框，選擇草繪平面，如圖 4-2 所示。根據(jù)零件尺寸要求一步一步的進(jìn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 圖 4-3 頂梁效果圖 4.3 液壓支架的整機(jī)裝配 創(chuàng)建好液壓支架的所有部件之后，就要開(kāi)始進(jìn)行裝配。裝配前，應(yīng)正確分析各部件在整機(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，以保證裝配后整機(jī)定位可靠、運(yùn)動(dòng)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(guān)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(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，裝配時(shí)應(yīng)選用“放置”選項(xiàng)定義板定義彼此之間的約束關(guān)系；否則，在裝配時(shí)應(yīng)選用“連接”選項(xiàng)板來(lái)定義它們之間的連接關(guān)系和約束關(guān)系 。在裝配過(guò)程中，如果按照設(shè)定的約束關(guān)系并沒(méi)有使裝配件處于“正常的工作位置”，可使用“拖動(dòng)”選項(xiàng)板上的“平移”、“旋轉(zhuǎn)”等工具對(duì)配件進(jìn)行調(diào)整，直至符合要求為止。 在 PRO/E 中，組件模塊提供了“匹配”、“對(duì)齊”、“插入”和“坐標(biāo)系”等多種約束類(lèi)型和“剛性鏈接”、“銷(xiāo)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 圖 4-4 連接形式與用戶(hù)自定義 在具體的操作中，正確地選擇并使用這些約束類(lèi)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)立柱與油 缸兩端的銷(xiāo)孔與其相關(guān)部件上耳座之間一律采用“銷(xiāo)聯(lián)接”，活塞與缸體之間一律采用“滑動(dòng)桿連接”，頂梁與掩護(hù)梁之間，掩護(hù)梁與前后連桿之間一律采用“銷(xiāo)聯(lián)接”。一般情況下，采用的鏈接形式不同，接下來(lái)所需定義的約束類(lèi)型也不同。只有當(dāng)裝配處于完全約束時(shí)，被裝配件才可能具有確定運(yùn)動(dòng)，“鏈接”才會(huì)生效 . 總的來(lái)說(shuō)，裝配過(guò)程是較為簡(jiǎn)單的。但是還是要注意幾個(gè)問(wèn)題。 1）一般來(lái)說(shuō)，建立一個(gè)裝配約束時(shí)，應(yīng)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(diǎn)、線(xiàn)、面。例如通過(guò)對(duì)齊（ Align）約束將一根 軸放入裝配體的一個(gè)孔中，軸的中心線(xiàn)就是元件參照，而孔德中心線(xiàn)就是組件參照。 2）系統(tǒng)一次只添加一個(gè)約束。例如不能用一個(gè)“對(duì)齊”約束將一個(gè)零件上兩個(gè)不同的孔與裝配體中的另一個(gè)零件上的兩個(gè)不同的孔對(duì)齊，必須定義兩個(gè)不同的對(duì)齊約束。 3）要對(duì)一個(gè)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(shù)個(gè)裝配約束。 4）正確進(jìn)行立柱的裝配。由于現(xiàn)有的很多軟件很難識(shí)別立柱窩和立柱缸體河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 底部圓球面得配合關(guān)系，所以裝配過(guò)程比較復(fù)雜，有時(shí)甚至沒(méi)法裝配。有一個(gè)解決方法局勢(shì)將立柱簡(jiǎn)化成鉸點(diǎn)（ joint），這樣還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn) 就是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析（ dynamic）和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（ kinematic）時(shí)時(shí)比較方便（簡(jiǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)副）立柱與柱窩的裝配關(guān)系如圖 4-5 所示。還有局勢(shì)立柱以及各部件以及各種千斤頂?shù)幕钊透左w最好裝配成部件，然后調(diào)入到總裝圖當(dāng)中，不要放在總裝圖中裝配。如果在總裝圖總裝配，裝配過(guò)程將會(huì)很復(fù)雜。 圖 4-5 立柱與柱窩的和裝配關(guān)系圖 5）在 PRO/E 中元件時(shí)，可以將多個(gè)所需的約束添加到元件上。即使從數(shù)學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，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(dá)到設(shè)計(jì)意圖。如圖 4-6 所示為頂梁裝配鏈接關(guān)系圖， 用到多個(gè)設(shè)置，以保證與各部件的定位關(guān)系正確。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 圖 4-6 頂梁的裝配關(guān)系 在裝配插板和插板缸時(shí)有可能裝不上，我們可以先進(jìn)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(jìn)入組裝模塊。點(diǎn)擊 ，選取“尾梁”，進(jìn)入裝配界面，選擇缺省。如圖 4-7 所示 。點(diǎn)擊 ，選擇“插板”，確定進(jìn)入組裝界面后，選擇“滑動(dòng)桿”連接，其連接關(guān)系如圖 4-8 所示 ，確定完成 。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 圖 4-7 圖 4-8 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 點(diǎn)擊 ，選取“插板缸”，進(jìn)入組裝界面，連接形式為用戶(hù)自定義，連接關(guān)系如圖 4-9 所示。 圖 4-9 總的來(lái)說(shuō)，裝配過(guò)程是較為簡(jiǎn)單的 。 需要說(shuō)明的是，三維建模工具僅僅完成了實(shí)體建模的制作，只有和有限元分析軟件以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件結(jié)合起應(yīng)用，才能發(fā)揮其最大的價(jià)值。如果把三維建模工具僅僅當(dāng)成項(xiàng) AutoCAD 軟件那樣來(lái)繪制圖形，則沒(méi)有發(fā)揮到其正真的作用。應(yīng)為三維建模的主要目標(biāo)在于為虛擬產(chǎn)品提供數(shù)據(jù)。要形成一個(gè)認(rèn)識(shí)：以三維建模設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)，集成有限元分析軟件和運(yùn)動(dòng)仿真組成應(yīng)用系統(tǒng)，才能真正的解決提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量 問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和軟、硬件成本的下降，利用三維建模工具來(lái)進(jìn)行支架設(shè)計(jì)將會(huì)使支架設(shè)計(jì)水平越來(lái)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 圖 4-10 液壓支架三維模型 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 37 第 5 章液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真 5.1 液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真的一般過(guò)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(yùn)動(dòng)仿真是成功建立力氣裝配模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)定義靜止部件、運(yùn)動(dòng)部件，并在各起始運(yùn)動(dòng)件上定義驅(qū)動(dòng)電機(jī)、選擇連接軸和運(yùn)動(dòng)方向、設(shè)定運(yùn)動(dòng)條件或參數(shù)等一系列操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 由于液 壓支架運(yùn)動(dòng)部件均已立柱或油缸為驅(qū)動(dòng)件，活塞桿在油缸中只作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以，在建立液壓支架的仿真模型時(shí)，以底座為靜止部件，其他部件均為活動(dòng)件。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)放在活塞上，以活塞軸線(xiàn)作為聯(lián)接軸，然后根據(jù)各個(gè)活塞桿的行程和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，在“輪廓”面板的“規(guī)范”欄中選擇“位置”來(lái)規(guī)范活塞的運(yùn)動(dòng)，在“?！睓谥羞x取“表”選項(xiàng)；最后，利用“運(yùn)動(dòng)分析”命令定義運(yùn)動(dòng)仿真的起始長(zhǎng)度和幀數(shù)等，即可播放完成的動(dòng)畫(huà)。 在組裝好裝配圖后，點(diǎn)選菜單欄中的“應(yīng)用程序”下拉菜單中的“機(jī)構(gòu)”，進(jìn)入機(jī)構(gòu)仿真模塊。運(yùn)動(dòng)仿真的操作步驟如下： 插入伺服電機(jī) 選菜 單欄中的“插入”下拉菜單中的“伺服電動(dòng)機(jī)”，彈出伺服電動(dòng)機(jī)定義框，在“類(lèi)型”中選擇從動(dòng)圖元，如圖 5-2 所示。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 圖 5-2 在“輪廓”的“規(guī)范”中可以定義從動(dòng)圖元的位置、速度、加速度，在“?！敝锌梢远x速度函數(shù)。在“圖形”中可以選擇“位置”、“速度”、“加速度”可以顯示運(yùn)動(dòng)的效果圖。在本次設(shè)計(jì)中由于電機(jī)為分段運(yùn)動(dòng)不能使用速度定義，只能選擇位置定義，在定義的過(guò)程中電機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍是受到限制的，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模不能超出液壓缸的有效運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度，所以電機(jī)的定義采用“表”中的“時(shí)間 模 ”的定義方式。 如 5-3 圖所示為立柱 電機(jī)定義過(guò)程。 圖 5-3 立柱分析時(shí) 電機(jī)的定義 2）定義分析 單擊機(jī)構(gòu)分析 按鈕彈出“分析定義”對(duì)話(huà)框，在此對(duì)話(huà)框中科設(shè)置總運(yùn)動(dòng)館時(shí)間、幀數(shù)、幀頻等運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)順序和運(yùn)動(dòng)時(shí)間。定義時(shí)間域的方式又三種： 長(zhǎng)度和幀頻：輸入運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)度和幀頻，系統(tǒng)計(jì)算總的幀數(shù)和運(yùn)行長(zhǎng)度。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 39 長(zhǎng)度和幀數(shù)：輸入運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)度和總幀數(shù)，系統(tǒng)計(jì)算運(yùn)行的幀頻。 幀頻和幀數(shù) ；輸入總幀數(shù)和幀頻，系統(tǒng)計(jì)算運(yùn)行時(shí)間。 由于本次設(shè)計(jì)時(shí)順序動(dòng)作，順序?yàn)椋荷?掩護(hù)梁伸出 尾梁伸出 插板伸出 推溜伸出 掩護(hù)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的順序動(dòng)作是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。在定義電機(jī)的過(guò)程中，采用了“位置”定義電機(jī)方便了“分析定義”中的電機(jī)定義。其運(yùn)動(dòng)時(shí)間段如圖 5-4 所示。 圖 5-4 電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間段 5.2 仿真結(jié)果分析 獲取仿真結(jié)論是將運(yùn)動(dòng)的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，如運(yùn)動(dòng)干涉、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)等，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題提出改進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)液壓支架的最優(yōu)化。 在液壓支架零、部件裝配和運(yùn)動(dòng)仿真完成后，就可以利用 PRO/E 對(duì)設(shè)計(jì)的河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 40 實(shí)體模型進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，包括靜態(tài)檢查和動(dòng)態(tài)檢查。靜態(tài)干涉檢 查是指在特定的裝配結(jié)構(gòu)形式下，檢查裝配體各個(gè)零件之間的相對(duì)位置是否存在零部件之間的運(yùn)動(dòng)干涉。直接利用 PRO/E 對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)裝配模型進(jìn)行全局干涉檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果直接顯示在模型中，同時(shí)用數(shù)字給出干涉區(qū)域的面積。這樣對(duì)整個(gè)支架的裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，可以觀(guān)察和分析出區(qū)域問(wèn)題，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，將整機(jī)設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題消除在萌芽狀態(tài)，減少試制樣機(jī)費(fèi)用和改進(jìn)時(shí)間，并大大縮短機(jī)械產(chǎn)品的更新周期。在液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真完成之后，借助于 PRO/E 仿真分析測(cè)量還可以測(cè)量系統(tǒng)中需要跟蹤的參數(shù)，如零件的位置、速度、 加速度等，并將其變化趨勢(shì)通過(guò)圖表的形式直觀(guān)的表現(xiàn)出來(lái)，假如結(jié)果不理想，可以在設(shè)計(jì)模式下直接修改模型參數(shù)，重復(fù)仿真分析以達(dá)到機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目的。 運(yùn)動(dòng)分析 所有電動(dòng)機(jī)后即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖 5-5 所示。分析無(wú)誤后保存分析果，利用“回放”命令可以對(duì)已運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)行回放，在回放中還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查和制作播放文件。對(duì)每個(gè)運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)定義，系統(tǒng)將單獨(dú)保存一組運(yùn)動(dòng)結(jié)果，利用“回放”命令可以將其結(jié)果保存在一個(gè)文件中，也可以刪除、恢復(fù)或輸出這些結(jié)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(jiàn)視頻。 圖 5-5 運(yùn)動(dòng)回放 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 41 圖 5-6 視頻截圖 繪制軌跡曲線(xiàn) 在運(yùn)動(dòng)仿真后還要對(duì)液壓支架的特殊點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。特殊點(diǎn)有：掩護(hù)梁頂點(diǎn)、頂梁、擺桿頂點(diǎn)。 掩護(hù)梁的運(yùn)動(dòng)軌跡分析 選擇繪制曲線(xiàn)命令 ，便可以繪制液壓支架的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。選擇“新建”按鈕就可以進(jìn)入選擇分析的點(diǎn)，選取掩護(hù)梁頂點(diǎn)，選擇過(guò)程如圖 5-7 所示。在“位置”選項(xiàng)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，“位置 時(shí)間”曲線(xiàn)圖如 5-8 所示。 圖 5-7 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 42 圖 5-8 從曲線(xiàn)中可以看出頂梁前端點(diǎn)開(kāi)始向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后有一個(gè)小段時(shí)間的反向運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這是由于頂梁前端點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)到水平位置后還會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)一小段的距離，導(dǎo)致在 x 方向上還有一小段的反向運(yùn)動(dòng)過(guò)程；在掩護(hù)梁停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，掩護(hù)梁停止在運(yùn)動(dòng)極限；在掩護(hù)梁反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，同理有個(gè)反向運(yùn)動(dòng)過(guò)程。此過(guò)程與液壓支架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程相符。 掩護(hù)梁“軌跡曲線(xiàn)”定義在“插入”中選取?！败壽E曲線(xiàn)”如圖 5-9 所示。由于擺桿的存在，掩護(hù)梁在 x 方向的運(yùn)動(dòng)軌跡比實(shí)際的要求彎曲大。 圖 5-9 頂梁的運(yùn)動(dòng)軌跡分析 定義過(guò)程如“掩 護(hù)梁的定義過(guò)程”，本次選取 y