液压支架三维建模及运动分析

液压支架的三维建模及运动分析
摘要：运用ug软件建立两柱掩护式液压支架的三维模型，并将该模型导入adams软件中进行运动学仿真，将仿真后得到的液压支架的四连杆机构定位尺寸和极限参数与对应的液压支架设计标准进行对比，验证了设计的合理性，通过这种方法可以更好地获得液压支架的运动过程和有关参数。

关键词：液压支架；三维建模；adams；运动分析
中图分类号: td355 文献标识码:a 文章编
号:1674-098x(2011)12(c)-0000-00
前言
近年来虚拟样机技术发展迅速，通过建立虚拟样机模拟产品在真实环境下的运动状况，并根据仿真结果对产品的设计方案进行优化，以缩短开发周期，提高设计质量[1]。

本文采用ug软件对两柱掩护式液压支架进行三维建模，然后运用adams软件对液压支架进行运动学仿真分析，以获得液压支架的四连杆机构定位尺寸和极限参数。

1 液压支架的三维建模
本文针对液压支架结构复杂的特点，运用ug软件强大的三维造型功能，采用自下而上的方法进行建模，即先将各组件单独建模，再参考零件尺寸进行装配。

1.1 各部件的三维建模
液压支架的组成主要分为顶梁、掩护梁、底座、立柱、前连杆、
后连杆等。

对顶梁、掩护梁、底座、前连杆、后连杆可根据其各自的对称性运用镜像功能完成建模，而立柱则可以运用旋转功能完成模型。

图1是利用ug软件创建的两柱掩护式液压支架各主要部件的三维模型。

1.2 液压支架的装配
本文的装配采用自底向上的装配方法，先全部设定好装配中的组件，然后将组件添加到装配中，通过给定相配零件之间的配对约束关系，得到装配体的过程[2]，按照底座，后连杆，前连杆，后连杆，顶梁，立柱外缸，立柱小柱，立柱中缸的顺序依次添加组件完成装配，即可得到两柱掩护式液压支架的三维实体模型。

2 液压支架的运动仿真
运用软件对复杂的液压支架系统建立虚拟样机，可迅速地检测、分析和比较多种参数，从而根据分析结果修改方案。

通过建立虚拟样机仿真方法能在很大程度上减少昂贵的物理样机制造及试验费用[3]。

2.1 运动过程设计
将液压支架的三维模型以x_t格式文件导入adams软件中，在不影响液压支架仿真的结果的情况下，可以对液压支架添加运动副。

(1) 液压支架的底座和地面无位移，故运用一个固定副连接；
(2) 忽略平衡千斤顶的作用，在液压支架顶梁上表面和底座地面添加一个平行副；
(3) 立柱和顶梁、底座的连接均为铰接，故该液压支架系统中添加四个球铰副；
(4) 底座和前连杆，后连杆，掩护梁和前连杆，后连杆，顶梁之间共添加七个转动副；
(5) 立柱活柱和中缸体，中缸体和外缸体均为滑移副连接，共添加四个滑移副。

添加完运动副后，为液压支架添加驱动。

液压支架是由立柱的升降带动顶梁的升降，故在立柱上添加驱动，驱动采用step函数定义液压支架的运动过程。

液压支架活柱和中缸体设置的step函数为：+step (time, 0.0, 0.0, 2.0, 163.0) + step (time, 2.0, 0.0, 10.0, 0.0)－step (time, 10.0, 0.0, 15.0, 1224.0)；
中缸体和外缸体设置的step函数为：－step (time, 0.0, 0.0, 2.0, 0.0)－step (time, 2.0, 0.0, 6.0, 1250.0)+step(time, 6.0, 0.0, 10.0, 1250.0)+step(time, 10.0, 0.0, 15.0, 0.0)
添加完运动副和驱动的液压支架三维模型如图2所示。

2.2 仿真结果及分析
为了保证液压支架处于良好的工作状态，液压支架的四连杆机构定位尺寸和极限参数需要进行测量：
(1) 掩护梁上铰点到顶梁顶面之间距离h0、后连杆下铰点至底座地面之距y5、后连杆长度l2及掩护梁长度（l3+l4）的曲线，四条曲线按上述顺序自下而上排列，如图3所示。

由图3可知，h0为200mm，y5为530mm，（l3+l4）为2817mm，l2为1800mm，则掩护梁和后连杆的长度比（l3+l4）/l2=1.565。

一般设计中取h0=150~200mm，y5=450~600mm，（l3+l4）/l2=1.4~2.1[4]，符合设计要求，因而说明该液压支架设计的合理性。

(2) 后连杆的转动角α2的变化曲线和掩护梁与水平的夹角α的变化曲线，如图4所示，虚线表示α2变化曲线，实线表示α的变化曲线。

通过图4可知，后连杆的转动角α2的最小值为10.0026°，掩护梁与水平的夹角α的最小值αmin=19.3706°，最大值α
max=60.7584°。

一般实际设计中应保证α2≥5°，αmax=58~62°，αmin=12~18°，所以后连杆的转动角、掩护梁与水平的夹角符合设计要求，使液压支架掩护梁上背负的矸石能够沿梁体下滑的同时，也能保证顶梁的合理支护强度。

(3) 顶梁端点的轨迹曲线，如图5所示，纵坐标表示支架顶梁端点的升降位移，横坐标表示支架顶梁端点的摆动位移。

为保证液压支架梁端距的稳定稳定，一般控制顶梁端点摆动幅度为30~80mm。

由图5可知，顶梁端点的摆动幅度值为104.3612 mm。

该摆动幅度超过了顶梁端点合理的幅度范围，所以该液压支架顶梁端点的摆动幅度设计有待优化。

3 结语
本文以两柱掩护式液压支架为例，探讨了以ug软件建立液压支架的三维模型和adams软件下的运动仿真与分析的方法，这种设计
方法获得了液压支架的四连杆机构定位尺寸和极限参数，通过与对应的设计标准比较可知该液压支架的四连杆机构的参数有待优化。

这种设计方法简单精确，对提高液压支架设计的质量提供了一种参考。

参考文献
[1] 秦成. 基于proe_adams_matlab挖掘机虚拟样机研究.机床与液压. 2008, 36(9): 133-134.
[2] 谢龙汉, 钟翠霞. ug nx5中文版三维设计快速入门. 北京: 清华大学出版社, 2007, 322-323.
[3] 郑晓雯, 张东杰, 李锦彪等. 基于pro/e与adams的液压支架运动仿真与分析. 煤矿机械. 2011, 32(6): 237-239.
[4] 王国法. 液压支架技术. 北京: 煤炭工业出版社, 1999, 49-50.。