【文章內(nèi)容簡介】 、支架的升降和推移 當(dāng)操縱閥 8 處于升柱位置時，乳化液泵站來的高壓液體通過操縱閥 液控單向閥6 進入立柱 2 的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撐緊頂板。當(dāng)操縱閥 8 處于降柱位置時，工作液體進入立柱的上腔，同時打開液控單向閥，立柱下腔回液，支架下降。 支架的前移和推溜是通過操縱閥 7 和推移千斤頂 4 來進行的。移架時，先使支架卸載下降，再把操縱閥 7 置于移架位置，從乳化液泵站來的高壓液體進入推移千斤頂4 的前腔及活塞桿腔，后腔即活塞腔回液。這時，支架以輸送機為支點前移。移架結(jié)束后，再把支架升起，使支架撐緊頂板。若將操縱閥 7 置于推溜位置，高壓液體進入推移千斤頂后腔即活塞腔，前腔即活塞桿腔回液，這時，輸送機將以支架為支點被推向煤壁。 二、支架的承載過程支架的承載過程是指支架與頂板之間相互力學(xué)作用過程。它包括初撐、承載和恒阻三個階段。 （一） 、初撐階段 在升架過程中，當(dāng)支架的頂梁接觸到頂板，直到立柱下腔的液體壓力逐漸上升到泵站的工作壓力時，停止供液，液控單向閥 6 立即關(guān)閉，這一過程為支架對頂板的支撐力為初撐力。支撐式液壓支架的初撐力為 22104P??npDbC? KN 式中 D——支架立柱的缸徑， m支撐掩護式液壓支架總體方案設(shè)計及仿真模擬9 Pb ——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，立柱缸徑和立柱數(shù)量。合理的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(chǎn)的關(guān)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。 （二） 、承載增阻階段 支架出城結(jié)束后，隨著頂板下沉，立柱下腔的液體壓力逐漸升高，支架對頂板的支撐力也隨之增大，呈現(xiàn)增阻狀態(tài)，這一過程為支架的承載增阻階段。 （三） 、恒阻階段 隨著頂板來壓的進一步增加，立柱下腔的液體壓力越來越來高。當(dāng)升高到安全閥 5 調(diào)定壓力時，安全閥打開溢流，立柱下縮，液體壓力隨之降低。當(dāng)降到安全閥調(diào)定壓力時，安全閥關(guān)閉。隨著頂板的繼續(xù)下沉，安全閥重復(fù)這一過程。由于安全閥的作用，支架的支撐力維持在某一恒定數(shù)值上，這時支架的恒阻階段。此時，支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥調(diào)定壓力決定的。支撐式支架的工作阻力為 22104P??npDa? KN式中， Pa ——支架安全閥調(diào)定壓力 支架的工作阻力標(biāo)志著支架的最大承載能力，是支架的一個重要參數(shù)。但是，由于之家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，常用單位面積支護面積頂板上所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???FPq , MPa式中 F——支架的支護面積， m2 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。由上可知，支架工作時的支撐力與時間的關(guān)系：開始升柱至單向閥關(guān)閉時的初撐增阻階段 t0，初撐后至安全閥開啟前 的增阻階段 t1, 以及安全閥出現(xiàn)脈動卸載時的恒圖 13 液壓支架特性曲線支撐掩護式液壓支架總體方案設(shè)計及仿真模擬10阻階段 t2 , 這就是液壓支架的阻力——時間特性。它表明液壓支架在低于額定工作阻力下工作時，具有增阻性，以保證對頂板的有效支撐作用；在達到額定工作阻力下，能隨頂板下沉而下縮。增阻性主要取決于液控單向閥和立柱的密封性能，恒阻性與可縮性主要由安全閥來實現(xiàn)，因此安全閥、液控單向閥和立柱是保證支架性能的三個重要元件。 液壓支架的類型和結(jié)構(gòu)液壓支架按其對頂板的支護方式和結(jié)構(gòu)特點的不同，分為支撐式、掩護式和支撐掩護式三種基本架型。 支撐式支架 支撐式支架是出現(xiàn)的最早的一種架型，按其結(jié)構(gòu)和動作方式的不同，支撐式支架又分為垛式支架和節(jié)式支架兩種結(jié)構(gòu)型式。垛式支架每架為一整體，與輸送機聯(lián)接并互為支點整體前移。節(jié)式支架由 2~3 個框節(jié)組成，移架時，各節(jié)之間互為支點交替前移，輸送機由與支架相連的推移千斤頂推移。節(jié)式由于穩(wěn)定性差已基本淘汰。支撐式支架的結(jié)構(gòu)特點：頂梁較長，其長度多在 4m 左右；立柱多，一般 4~6 根，而且垂直支撐；支架后部設(shè)復(fù)位裝置和擋矸裝置。以平衡水平推力和防止矸石竄入支架的工作空間內(nèi)。 支撐式支架的支護性能：支撐力大，且作用在支架中后部，故切頂性能好；對頂板重復(fù)支撐次數(shù)多，容易把本來完整的頂板壓碎；抗水平載荷的能力差，穩(wěn)定性差；護矸能力差，矸石以竄入工作空間；支架的工作空間和通風(fēng)斷面大。由上可知，支撐式支架適用于直接頂穩(wěn)定、老頂有明顯或強烈周期來壓，且水平力小的條件。a——垛式支架；b——節(jié)式支架圖 14 支撐式支架結(jié)構(gòu)型式 掩護式支架掩護式支架的結(jié)構(gòu)型式如下圖所示，它的結(jié)構(gòu)特點是有一個較寬的掩護梁以擋住支撐掩護式液壓支架總體方案設(shè)計及仿真模擬11采空區(qū)的矸石進入作業(yè)空間，其掩護梁上端與頂梁鉸接，下端通過前后連桿與底座鏈接。底座、前后連桿和掩護梁形成四連桿機構(gòu)，以保持穩(wěn)定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撐力間接作用于頂梁（下圖 a）或直接作用于頂梁上（下圖 b） 。掩護式支架的立柱較少，除少數(shù)掩護式支架 1 根立柱外，一般都是一排 2 根立柱。這種支架的立柱都為傾斜布置，以增加支架的調(diào)高范圍，支架兩側(cè)有活動側(cè)護板，可把架間密封。通常頂梁較圖 15 掩護式支架的結(jié)構(gòu)型式短，一般為 左右。掩護式支架的支護性能：支撐力較小，切頂性較差，但由于頂梁較短，支撐力集中在靠近煤壁的頂板上，所以支護強度較大、且均勻，掩護性好，能承受較大的水平推力，對頂板反復(fù)支撐的次數(shù)少，能帶壓移架。但由于頂梁較短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風(fēng)斷面小。由上可知，掩護式支架適用于頂板不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定、老頂周期來壓不明顯、瓦斯含量少的破碎頂板條件。 支撐掩護式支架 支撐掩護式支架式在吸收了支撐式和掩護式兩種支架優(yōu)點的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種支架。因此，它兼有支撐式和掩護式支架的結(jié)構(gòu)特點和性能，可適應(yīng)各種頂板條件。按支撐位置不同支撐掩護式支架分為：支頂支撐掩護式支架(如圖 a 所示)；支頂支掩支撐掩護式支架(如圖 b 所示)，其中一排立柱支撐在掩護梁上。支撐掩護式液壓支架總體方案設(shè)計及仿真模擬12(a) (b)圖 16 支撐掩護式液壓支架 支撐掩護式支架結(jié)構(gòu)：頂梁一般由前梁和主梁構(gòu)成，四根立柱支撐于頂梁和底座支間，掩護梁的上端與頂梁鉸接，下端用連桿與底座相連。這種支架的優(yōu)點是：支撐力大，切頂性能強，防護性能好，通風(fēng)斷面大，穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍廣。它的缺點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 支撐掩護式支架的立柱均為兩排，立柱可前傾或后傾，也可倒八字形和交叉布置。通常，兩排立柱都直接支撐在頂梁上，個別的有后排支撐在掩護梁上，前排支撐在頂梁上（如圖 16(b)） 。 特種支架 特種支架是為了滿足某些特殊要求發(fā)展起來的液壓支架，在結(jié)構(gòu)型式上仍屬于上述幾種基本架型。具體的有放頂煤支架、鋪網(wǎng)支架、三軟支架和端頭支架。其它分類方法有：按適用煤層傾角分：一般工作面支架；大傾角支架。按適用采高分：薄煤層支架；中厚煤層支架；大采高支架。按適用采煤方法分：一次采全高支架；放頂煤支架；鋪網(wǎng)支架；充填支架。按在工作面中的位置分：工作面支架；過渡支架(排頭支架)；端頭支架。按穩(wěn)定機構(gòu)分:四連桿機構(gòu)支架；單鉸點機構(gòu)支架；反四連桿機構(gòu)支架；單擺桿式支架；機械限位支架(橡膠限位、彈簧鋼板限位、千斤頂限位)。按組合方式分：單架式支架；組合式支架。按控制方式分：1)本架控制支架；鄰架控制支架；成組控制支架。按控制原理分：液壓直接控制支架；液壓先導(dǎo)控制支架；電液控制支架。支撐掩護式液壓支架總體方案設(shè)計及仿真模擬132 實體建模和虛擬現(xiàn)實簡介在這一章中重點介紹制作虛擬液壓支架的工具：建模軟件 Pro/Engineer 和仿真編程語言 VRML(Virtual Reality Model Language)。 參數(shù)化設(shè)計軟件 Pro/ENGINEERPro/ENGINEER 是參數(shù)化、基于特征的實體造型軟件，由美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation,簡稱 PTC）開發(fā)。其功能十分廣泛，包含實體建模、曲面設(shè)計、工程圖、拆模、NC 加工等。Pro/ENGINEER 第一個提出參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自己的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/ENGINEER 基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計到生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。軟件界面如下圖：圖 21 Pro/ENGINEER 軟件界面在此，利用 Pro/ENGINEER 的實體建模(Solid)功能完成對 ZY 型液壓支架各個部分的三維模型建立。再利用其裝配(ASM)功能完成液壓支架各個部件的整體裝配，得到一個完整的 3D 液壓支架模型。裝配過程中，采用一定連接約束條件使支架能夠用Pro/ENGINEER 的機構(gòu)仿真模塊進行運動仿真，以及通過改變機構(gòu)位置并導(dǎo)出為 VR支撐掩護式液壓支架總體方案設(shè)計及仿真模擬14文件(*.wrl)，獲得 VR 仿真中的關(guān)鍵幀 (key frame)，用于支架動作仿真。 VRML 虛擬現(xiàn)實語言 VRML 的發(fā)展史VRML 的歷史可以上溯到 1994 年，當(dāng)時在日內(nèi)瓦的第一次 WWW 年會上，一些與會者提出為創(chuàng)建三維網(wǎng)絡(luò)的界面必須有一種通用的描述性語言，用于在 WWW 上超級鏈接——類似于超文本描述語言(HTML)，于是誕生了虛擬現(xiàn)實描述語言(Virtual Reality Makeup Language)。稍后，改為虛擬現(xiàn)實建模語言 (Virtual Reality Modeling Language)，用于反映圖像的本質(zhì)。現(xiàn)在世界上有一個管理 VRML 的團體 ，簡稱為 VRML 結(jié)構(gòu)組織 (VGA)，VGA 為網(wǎng)絡(luò)的三維功能建立了標(biāo)準(zhǔn)。1995 年 5 月， 規(guī)范正式出臺，但此規(guī)范缺少對一些關(guān)鍵特性如動作、交互和行為的支持，為此，急需對它進行修訂。1996 年 8 月，在新奧爾良舉行的 SIGGRAPH`96 會議上公布了 規(guī)范的第一版，經(jīng) ISO JTCI/ SC2 4 同意，這一版被作為 14772 號委員會草案公布，并且于 1997 年 4 月提交審議。該草案又稱為 VRML 97(遵循 ISO 把發(fā)布年號寫入名字的命名約定)。從此之后，許多公司紛紛推出了自己的 VRML 瀏覽器，如 Netscape 公司 Live3D，IE 內(nèi)嵌的 Microsoft VRML Viewer，Apple 公司的 Quick Time VR 等等。我國對 VR 技術(shù)的正式研究起步卻很晚，大概在 20 世紀(jì) 90 年代初，發(fā)展到現(xiàn)在已初步取得了成果，但與發(fā)達國家相比還有很大的差距。其研究概述如下。國內(nèi)最早開展此項技術(shù)試驗的是西安虛擬現(xiàn)實工程技術(shù)研究中心；北京航空航天大學(xué)計算機系也是國內(nèi)最早研究 VR 的單位之一，它在 VR 視覺接口方面獲得了一部分研究成果；北京大學(xué)設(shè)計了基于 PC 機的 VR 系統(tǒng)；清華大學(xué)國家光盤工程研究中心所作的“布達拉宮”，采用了 QuickTime 技術(shù)，實現(xiàn)大全景 VR 制作；浙江大學(xué) CADamp。CG 國家重點實驗室開發(fā)了一套桌面型虛擬建筑環(huán)境實時漫游系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算機系已經(jīng)成功地合成了人的高級行為中的特定人臉圖像，解決了表情的合成和唇動合成技術(shù)問題，并正在研究人說話時手勢和頭勢的動作、語音和語調(diào)的同步等；西安交大信息工程研究所對 VR 中的關(guān)鍵技術(shù)—立體顯示技術(shù)進行了研究；中國科技開發(fā)院威海分院研究了視覺接口技術(shù)，完成了 VR 中的體視圖及軟件接口；北方工業(yè)大學(xué) CAD 中心是我國最早開展計算機動畫研究的單位之一，完成了通訊圖像顯示系統(tǒng)的多媒體平臺及相關(guān)音頻資料庫, 并且中國第一部完全用計算機動畫技術(shù)制作的科教片《相似》就出自該中心；上海大學(xué) CIMS 中心開發(fā)了一套基于 IRIX 的虛擬科技園區(qū)環(huán)境實時漫游系支撐掩護式液壓支架總體方案設(shè)計及仿真模擬15統(tǒng)；另外，上海交通大學(xué)圖像處理模式識別研究所，長沙國防科技大學(xué)計算機研究所、華東船舶工業(yè)學(xué)院計算機系、安徽大學(xué)電子工程與住處科學(xué)系等單位也進行了一些研究工作和嘗試。 VRML 的工作原理一、VRML 的結(jié)構(gòu)體系VRML 文件描述的基于時間的三維空間稱為虛擬境界（ Virtual World） ，它由對象構(gòu)成，而對象及其屬性用節(jié)點描述，節(jié)點是 VRML 的基本單元。每個節(jié)點由類型、域、事件、實現(xiàn)、名字組成，節(jié)點按一定規(guī)則構(gòu)成場景圖（Scene graph） ，場景圖中分兩類節(jié)點，第一類節(jié)點用于視覺、聽覺角度表現(xiàn)對象，它們按層次體系組織，反映境界的空間結(jié)構(gòu)，提供顏色、燈光、超鏈接、材質(zhì)、化身、重力、碰撞、地形隨動、飛行等功能，支持局部坐標(biāo)系；第二類節(jié)點參與事件產(chǎn)生和路由機制，形成路由圖，確定境界隨時間推移如何動態(tài)變化。環(huán)境變化、用戶交互、時間推移產(chǎn)生事件，傳感器（Sensor）檢測并發(fā)出初始事件，實踐產(chǎn)生其他事件或修改場景圖結(jié)構(gòu)，從而提供動態(tài)特性。插補器（Interpolator）是特殊事件處理器，利用它可以設(shè)計動畫。對于復(fù)雜行為處理則須利用腳本節(jié)點（Script node） ，它包含一組腳本描述語