【正文】 放頂煤液壓支架進(jìn)行三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真分析畢業(yè)設(shè)計(jì)第1章 緒論 本課題的研究目的和意義課題提出：目前,許多國內(nèi)外的大型輔助設(shè)計(jì)軟件都包含了機(jī)械虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真的模塊，如國外PTC公司的Pro/ENGINEER，EDS的UG，SDRC的I DEAS，MATRA的EUCLID和國內(nèi)的CAXA等。這些軟件都給設(shè)計(jì)人員提供了更完善的機(jī)械設(shè)計(jì)途徑。本文主要基于美國 PTC 公司的Pro/ ENGINEER WILDFIRE軟件，對(duì)ZF3700/16/26型放頂煤液壓支架進(jìn)行三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真分析。目的和意義：采煤綜合機(jī)械化，是加速我國煤炭工業(yè)發(fā)展，大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施。綜合機(jī)械化不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕笨重的體力勞動(dòng)，改善作業(yè)環(huán)境，是煤炭工業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。液壓支架是綜合機(jī)械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一,加大對(duì)液壓支架的設(shè)計(jì)與研究力度，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國煤炭工業(yè)高產(chǎn)高效科學(xué)發(fā)展具有重要意義。隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化，工程機(jī)械產(chǎn)品市場(chǎng)的競(jìng)爭日益激烈。為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭力，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，降低開發(fā)成本。在這種需求下，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，使虛擬設(shè)計(jì)逐步成為工程領(lǐng)域一種新的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段。運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)的方法，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)，從而降低新產(chǎn)品的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。Pro/E軟件是目前國內(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，易學(xué)易用、功能強(qiáng)大。利用Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)放頂煤液壓支架的三維參數(shù)化造型與運(yùn)動(dòng)仿真，簡捷方便、形象直觀、效果逼真，能顯著提高提高液壓支架的設(shè)計(jì)效率、降低研發(fā)周期。 相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀 放頂煤液壓支架的技術(shù)現(xiàn)狀（1） 支架設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，支架CAD理論的發(fā)展已相對(duì)成熟，借助 Pro/ ENGINEER或其他實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，可以實(shí)現(xiàn)支架的總體設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)及零件設(shè)計(jì)，并可根據(jù)參數(shù)變化，實(shí)現(xiàn)總裝圖、部件圖和零件圖的自動(dòng)生成、打印；為了驗(yàn)證支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，可進(jìn)行支架的運(yùn)動(dòng)模擬分析，實(shí)現(xiàn)支架的可視化。（2） 生產(chǎn)工藝放頂煤液壓支架金屬結(jié)構(gòu)為焊接件，目前已從手工切割板材全部改為數(shù)控切割，切割得到的板材零件只需去毛刺，即可進(jìn)入焊接工序，而且已淘汰傳統(tǒng)的人工焊接，改為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)自動(dòng)焊；支架的立柱及千斤頂?shù)幕钊麠U多采用 27SiMn 材料，并采用雙鍍鉻技術(shù)，徹底防止銹蝕產(chǎn)生；液壓閥以 45鋼為基礎(chǔ)材料，表面鍍鋅，其防銹能力可達(dá)6個(gè)月。（3） 控制系統(tǒng)影響液壓支架性能的主要因素是支架的液壓系統(tǒng)和液壓元件的性能，而液壓支架的控制方式即支架系統(tǒng)中方向換向閥的采用決定了工作面支架的移動(dòng)速度，也是決定采掘工作面高產(chǎn)高效的重要因素之一。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，國產(chǎn)液壓支架的控制方式主要是手動(dòng)液壓控制，相當(dāng)于國外 20 世紀(jì)70年代的控制方式，實(shí)際上，20世紀(jì)80年代以來，在支架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，方向換向閥的選用多為電磁換向閥，但由于井下現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作條件，目前市場(chǎng)上的電磁閥、傳感器及其他關(guān)鍵部件的性能、可靠性不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，有的礦井不得不將支架的電磁換向閥換為手動(dòng)換向閥。目前，國外液壓支架幾乎全部采用電液控制技術(shù)，其移架速度是國產(chǎn)手動(dòng)液壓控制的3倍左右。因此開發(fā)適應(yīng)我國礦井條件的電液比例控制系統(tǒng)，提高液壓元件及傳感器的可靠性，是提高綜采效率的途徑之一，也是支架控制方式的發(fā)展方向[1]。 液壓支架研究發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，新技術(shù)、新方法、新材料的不斷應(yīng)用，微機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步普 及。為液壓支架的發(fā)展提供了有利的條件。目前，液壓支架研究發(fā)展主要著手于以下幾個(gè)方面：( 1 ) 液壓支架的結(jié)構(gòu)形式正朝著簡單實(shí)用方向發(fā)展，如液壓支架的架型明顯地向兩柱掩護(hù)式支架和四柱支撐式掩護(hù)式支架發(fā)展。 ( 2 ) 在已有支架設(shè)計(jì)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將有限元和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相結(jié)合，研究支 架的智能化設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)一步提高支架的科學(xué)性、可靠性以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化性。其中在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：① 提高液壓支架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，加大支架的工作阻力，加大支架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度系數(shù)，還有選材等方面；② 如何提高支架的移架速度；③ 改進(jìn)支架個(gè)別部件結(jié)構(gòu)，加大聯(lián)結(jié)件強(qiáng)度。 ( 3 ) 改進(jìn)制造工藝，保證制造質(zhì)量；對(duì)支架的閥類，從材料、熱處理、加工條件和密封件入手，制定更嚴(yán)格的質(zhì)量和抗腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。 ( 4 ) 對(duì)不穩(wěn)定頂板、松軟底板、地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜等特殊條件、加大投入，研制大量的特殊支架，以適用不同的開采條件。 ( 5 ) 新型元件與材質(zhì)，可減輕支架重量，提高支架性能和使用壽命 。 ( 6 ) 結(jié)構(gòu)上尋求克服四連桿的新型架型。 ( 7 ) 快速支架電液控制系統(tǒng)的研制和投入，研究支架的遙控、程控控制和性能自動(dòng)監(jiān)控 ，為回采工作面的半自動(dòng)化與自動(dòng)化創(chuàng)造條件。 建模與仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代建模與仿真的技術(shù)體系日趨形成。宏觀地來看，現(xiàn)代建模與仿真的技術(shù)體系由建模技術(shù)、建模與仿真支撐系統(tǒng)技術(shù)，以及仿真應(yīng)用技術(shù)為核心構(gòu)成。 從被建模系統(tǒng)類型分，建模技術(shù)包括人體建模技術(shù)、環(huán)境建模技術(shù)和實(shí)體建模技術(shù)。其中，人體建模技術(shù)主要涉及模擬人體器官組織和人體在外界物理刺激下反應(yīng)的人體外表、功能、性能和行為等的建模技術(shù)；環(huán)境建模技術(shù)主要解決環(huán)境仿真模型的建立問題 (如地形/地貌/海洋/大氣/空間/電磁環(huán)境等)；實(shí)體建模技術(shù)涉及工程與非工程領(lǐng)域各類實(shí)體的建模技術(shù)。按建模技術(shù)分類，建模技術(shù)包括機(jī)理建模技術(shù)、辨識(shí)建模技術(shù)、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、面向組件/服務(wù)的建模技術(shù)、多視圖建模技術(shù)、多模式建模技術(shù)、多分辨率建模技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化建模技術(shù)和多媒體建模技術(shù)等。其中，典型的機(jī)理建摸技術(shù)如用微分方程、差分方程、代數(shù)方程描述線性/非線性、連續(xù)/離散、確定/隨機(jī)、集中/分布、定常/時(shí)變、存儲(chǔ)/非存儲(chǔ)等連續(xù)系統(tǒng)建摸技術(shù)；面向活動(dòng)、面向事件、面向進(jìn)程等離散事件系統(tǒng)建摸技術(shù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能代理、本體論等智能系統(tǒng)建摸技術(shù)等；典型的辨識(shí)建摸技術(shù)如最小二乘、極大似然、結(jié)構(gòu)辨識(shí)、模糊辨識(shí)等；典型的面向?qū)ο蠼夹g(shù)如UML、HLA/OMT等；典型的面向組件/服務(wù)的建模技術(shù)如SIMKIT[2]、DEVS/HLA[3]、COSIMPlatform[4]等。典型的多視圖建摸技術(shù)如Petri網(wǎng)、Bond圖、IDEF等。典型的數(shù)據(jù)可視化建模技術(shù)如標(biāo)量/矢量/張量，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)場(chǎng)/流場(chǎng)，多參數(shù)數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化建模技術(shù)等。典型的多媒體建模技術(shù)如聲音、圖形/圖象建模技術(shù)等。 建模與仿真支撐系統(tǒng)技術(shù)涉及系統(tǒng)總體技術(shù)、建模/仿真實(shí)驗(yàn)/評(píng)估工具引擎技術(shù)、VR/可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)/通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫/模型庫/知識(shí)庫/內(nèi)容管理技術(shù)、中間件/平臺(tái)技術(shù)、仿真計(jì)算機(jī)技術(shù)等。其中，總體技術(shù)涉及規(guī)范化體系結(jié)構(gòu)和采用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與協(xié)議，系統(tǒng)集成技術(shù)和集成方法，以及系統(tǒng)運(yùn)行模式等。工具引擎技術(shù)涉及支持復(fù)雜仿真工程全生命周期各類活動(dòng)、面向問題的建模/仿真實(shí)驗(yàn)/評(píng)估算法、程序、語言、環(huán)境及工具集。VR/可視化環(huán)境技術(shù)包括計(jì)算機(jī)圖形生成技術(shù)、多媒體技術(shù)、VR技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等；典型的中間件/平臺(tái)技術(shù)如CORBA/COM/DCOM/XML、HLA/DIS，以及新一代面向服務(wù)中間件技術(shù)等。典型的網(wǎng)絡(luò)/通信技術(shù)如以MPLS 、IPv6為重點(diǎn)的下一代IP網(wǎng)技術(shù)，以智能光網(wǎng)為核心的下一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用3G、4G的下一代無線通信網(wǎng)技術(shù)等。數(shù)據(jù)庫/模型庫/知識(shí)庫/內(nèi)容管理技術(shù)涉及到關(guān)系/面向?qū)ο蟮葦?shù)據(jù)庫技術(shù)，分布式數(shù)據(jù)庫、主動(dòng)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、演譯數(shù)據(jù)庫、并行數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫等建立與管理技術(shù)，數(shù)據(jù)/知識(shí)的挖掘技術(shù)，數(shù)據(jù)/知識(shí)倉庫技術(shù)，實(shí)時(shí)/分布模型庫技術(shù)、內(nèi)容管理技術(shù)等。仿真計(jì)算機(jī)包括適合于仿真的各類個(gè)人計(jì)算機(jī)、大/中型機(jī)、并行機(jī)及基于Internet/web網(wǎng)格技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算系統(tǒng)。 仿真應(yīng)用技術(shù)包括共性應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專用仿真應(yīng)用技術(shù)。其中，共性應(yīng)用技術(shù)涉及系統(tǒng)的VVamp。A 技術(shù)、仿真運(yùn)行實(shí)驗(yàn)技術(shù)、仿真結(jié)果的評(píng)估技術(shù)等；應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專用仿真應(yīng)用技術(shù)涉及自然科學(xué)與工程、社會(huì)科學(xué)、管理科學(xué)、生命科學(xué)及軍事等各領(lǐng)域有關(guān)專用仿真應(yīng)用技術(shù)。例如，自然科學(xué)與工程領(lǐng)域中的制造領(lǐng)域仿真應(yīng)用技術(shù)涉及產(chǎn)品研制各階段有關(guān)的仿真技術(shù)，包括虛擬產(chǎn)品及其在虛擬環(huán)境中功能、性能、行為、外觀的仿真技術(shù)和對(duì)其成本、加工、制造過程，直至使用、報(bào)廢的仿真分析技術(shù)；以及企業(yè)層次的企業(yè)建模(包括結(jié)構(gòu)、資源、過程、供應(yīng)鏈等)、戰(zhàn)略決策分析、市場(chǎng)評(píng)估分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、效益評(píng)估、質(zhì)量成本分析等仿真技術(shù)。軍事領(lǐng)域仿真應(yīng)用技術(shù)涉及分析、訓(xùn)練與工程等不同應(yīng)用目的與應(yīng)用對(duì)象，以及戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)與技術(shù)等多個(gè)層次的軍事仿真技術(shù)。 本論文主要研究內(nèi)容l 根據(jù)設(shè)計(jì)原始資料要求擬定支架的總體方案，確定架型，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)l 液壓支架總體結(jié)構(gòu)尺寸的確定（包括：支架高度、支架間距、底座長度的確定；四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、頂梁長度的確定；立柱和千斤頂位置的確定）。l 對(duì)液壓支架各結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)l 對(duì)液壓支架各結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行三維裝配設(shè)計(jì)與分析l 對(duì)液壓支架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析第2章 液壓支架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 選型液壓支架的合理選型對(duì)綜采工作面的有效支護(hù)意義重大。在液壓支架與圍巖力學(xué)相互作用研究的基礎(chǔ)上，需綜合分析不同地質(zhì)條件下支護(hù)阻力確定的理論研究成果并分析不同支架的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，為支架選型提供依據(jù)。 液壓支架的力學(xué)特征綜述（見表21）表21 不同結(jié)構(gòu)液壓支架比較的力學(xué)特征支架形式結(jié)構(gòu)特征主要力學(xué)特征對(duì)圍巖適應(yīng)性評(píng)價(jià) 掩護(hù)式支撐式二柱支掩掩護(hù)式支架承載力較小，底板比壓均勻，主動(dòng)水平力較大基本頂Ι、Ⅱ級(jí)巖層組合支頂式二柱支頂掩護(hù)式支架承載力大，穩(wěn)定性好，底座尖端比壓較大，對(duì)頂板主動(dòng)水平力大，前端支撐力大適應(yīng)直接頂3類，基本頂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)，底板Ⅱ級(jí)以上，Ⅰ類底板需限制支架對(duì)底板尖端比壓支撐掩護(hù)式支頂支掩四柱（或三柱）支頂支掩式穩(wěn)定性好，抗水平力強(qiáng)，比壓均勻，但支撐能力利用率低主要適應(yīng)3類直接頂，Ⅱ、Ⅲ級(jí)基本頂支頂式四柱X型頂梁合力調(diào)節(jié)范圍大，伸縮比大，承載力高主要適于薄煤層四柱支撐掩護(hù)式承載力大，切頂能力強(qiáng)，比壓較均勻主要適于4類直接頂，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)基本頂，底板類別不限 支架選型要素及簡要評(píng)價(jià)液壓支架結(jié)構(gòu)選型必須考慮的要素及對(duì)各類型支架的評(píng)價(jià)見表22。表22 支架選型要素及評(píng)價(jià)要素支架型式支撐掩護(hù)式支撐式頂梁結(jié)構(gòu)插底掩護(hù)式一般掩護(hù)式垛式節(jié)式abc支架圍巖適應(yīng)性 直接頂冒落傾向基本頂周期來壓底板壓入傾向防煤壁片幫通風(fēng)斷面頂梁前端支撐力頂梁后端切頂力對(duì)頂板遮蓋率隔絕采空區(qū)能力橫向穩(wěn)定性對(duì)采高適應(yīng)性支撐效率支護(hù)強(qiáng)度對(duì)傾角適應(yīng)性優(yōu)差良優(yōu)差優(yōu)差優(yōu)優(yōu)良良差良良 良良差良良良良優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)良 良 優(yōu)良優(yōu)優(yōu)良優(yōu)良優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)良差優(yōu)優(yōu)差優(yōu)