液压支架四连杆机构的三维建模和运动仿真

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1、液压支架四连杆机构的三维建模和运动仿真摘要:利用UG的建模模块(model)对液压支架四连杆机构进行快速整体建模，然后应用UG的运动仿真模块(anima tion)对支架升架、降架的运动过程进行模拟分析，同时利用标记点 对顶梁端点的运动轨迹进行跟踪，来验证端点最大水平变动量是否满足设计要求。关键词:液压支架;四连杆机构;三维建模;运动仿真0 引言三维建模彻底改变了传统设计理念，使设计者头脑中产生的三维实体图形可以直接仿真到 屏幕上，既形象又直观。使设计人员从想象各种视图的困境中解放出来，对于复杂的模型更 可避免传统设计方式难以避免的错误。而在建造物理样机之前，通过建立的三维数字化模型 进行运动

2、仿真可以对运动特性及干涉情况进行检验，从而预知设计的机构是否满足要求。本 文以ZTA6500型液压支架为例，应用UG软件探索一种三维整体简化、快速建模和运动仿真 的方法。1 UG软件简介Unigraphics(简称UG)是美UGS公司的拳头产品。该软件不仅具有强大的实体模型、曲面造 型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且在设计过程中可以进行有限元分析、机构运动 分析、动力学分析和仿真模拟，从而提高设计的可靠性。同时可用建立的三维模型直接生成 数控代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。另外它所提供的二次开 发语言UG/open GRIP,UG/open API简单易学，实现功

3、能多，便于用户开发专用CAD系统。2 液压支架及其四连杆机构液压支架的主要功能是支撑工作面顶板，阻止顶板冒落的岩石 窜入作业空间，以保证工作面内机器和人员的安全生产。由于其工作性质所致，较为关心的 是端面距的尺寸，而梁端摆动幅度会对端面距的尺寸造成直接影响。液压支架四连杆机构的 设计是掩护式和支撑掩护式液压支架整体设计的核心和基础，四连杆机构是由顶梁，掩护梁， 前、后连杆和底座五大构件组成。四连杆机构的主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性， 承受和传递外载，并能够实现移架，设计的好坏决定着顶梁端点的运动轨迹。顶梁端点运动轨迹成双纽线形,其最大的水平偏摆量应小于或等于70 mm,最好为30 mm

4、以下。3 液压支架四连杆机构三维实体建模出于理论研究和快速建模的目的，本文将不采用实际的液压支架模型，而是采用其简化的整体建模形式，其简化原则如下:顶梁，前、后连杆，掩护梁和底座分别进行整体建模，而不是由许多小零部件组装成的装配体 实际的液压支架四连杆机构应该是由钢板焊接成的箱体结构,而本文在创建三维模型时为了快速成型都建成了实体结构。但四连杆机构各杆长度 严格按照图纸的尺寸进行三维建模,其中一些对运动仿真没有直接影响的小部件进行了简 化处理,例如:肋板,侧护板等。在UG的建模(modeling)模块中分别建立顶梁，前、后连杆,掩护梁，立柱和底座整体简化模 型，在完成三维模型后，进入装配(as

5、sembly)模块完成液压支架整体的虚拟装配。以ZTA6500 型液压支架为例整体建模如图1所示圏1 ZrA65OO型液压支架三维模型Ftfi. 1 Thrtt- diriwnsiun rm Kiri ZTA6500 hydraulic support4 液压支架四连杆机构运动仿真液压支架的主要运动形式表现为升架和降架。本文在对升、降架进行运动仿真的同时，通过在顶梁端点处设置标志点，对顶梁的运动轨迹 进行跟踪，跟踪点的坐标值以电子图表的形式输出。经过处理后，绘制成顶梁端点的运动轨 迹图。运动仿真(Animation)是基于时间的一种运动形式。即在指定的时间段中运动。UG的仿真分 析依赖于ADA

6、MS解算器，仿真过程分3个阶段进行:前处理(创建连杆、运动副和定义运动驱 动)；求解(生成内部数据文件)；后处理(分析处理数据,并转化成动画、MPEG电影文件、图表 和报表文件)。创建连杆、运动副和定义运动驱动进入U G/mo tion模块，创建新的运动分析方案 (newScenario)。在此方案中创建四连杆机构的各构件为连杆(links),其中底座设置为整个 系统的机架，即为与地固定连杆。前、后连杆和底座与顶梁的连接处都设置为旋转副 (Revolute Joint),4根立柱和液压缸之间的连接设置成滑动副(Slider Joint)。液压支架 运动的驱动力是来自液压缸处的伸缩力，本运动方案

7、中运动驱动设定为加载在立柱上的矢 量力(Vector Force)。(2) 设置标记和跟踪选择工具栏上标记图标(makers),在顶梁的端点处设置标记点。然后选 择封装选项(packing op-tions)中的跟踪(trace)功能,通过跟踪选项对话框中的分类选择 (class selec tion)设置标记点为跟踪点。(3) 运动仿真在分析工具条中选择运动仿真图标(Animation)即启动运动仿真过程，在分析选项对话框 (AnalysisOptions)中选择机构运动学/机构动力学选项，设时间为5 s,步数为500步，单击 OK启动ADAMS解算器进程，分析完成后，运动仿真对话框自动弹出

8、，此时其中的跟踪(Trace) 选项为可选项，可以选择全程方式(full Range)来进行运动仿真，即可以观看升、降架的运 动过程。可以把运动仿真的过程制成MPEG电影文件。标记点的跟踪坐标可以直接以电子图 表来表示。输出的数值经处理后，绘制成图表如图2所示。由图2可见顶梁端点的运动轨迹 的最大水平摆动量在小于70 mm范围内变化。符合液压支架四连杆机构设计要求。顶梁瑞点的运动統迹圏2 实测顶梁端点的运动轨迹圏Fi2 Prarical卄f rod pnint 减 nuf btam5 结语(1) 以ZTA6500型液压支架为例介绍了支架整体建模的原则和方法，为液压支架快速建模提 供了一种思路。

9、通过设置标记点，对顶梁的端点运动轨迹进行跟踪。可以在设计阶段检测顶 梁端点的最大水平变动量是否在规定的范围内。为液压支架四连杆机构的设计提供参考依 据，从而保证设计的合理性。(2) 利用UG/m。tion模块可以获得精确的仿真结果。在进行产品设计或机构开发设计时，应 综合应用UG各个模块的优势，把零件建模、装配和运动仿真有机结合起来，发挥软件最大功 参考文献:1 胡小康，陈焱.UG NX2运动分析培训教程M.北京:清华大学 出版社，2005.2 王国法，等.液压支架技术M.北京:煤炭工业出版社,1999.3 丁绍南采煤工作面液压支架设计M.北京:世界图书出版社, 1992.4 王国彪，饶明杰液

10、压支架优化设计与计算机模拟分析M.北 京:机械工业出版社，1994.5 高悦综采放顶煤液压支架四连杆机构CAD的研究与开发D. 徐州:中国矿业大学,2002,5.6 徐新国，梁卫民液压支架顶梁运动轨迹的计算方法J.煤矿机 电,2004(4):6-8,11.7 王国彪，高荣液压支架四连杆机构运动学的优化分析J.阜新 矿业学院学报，1991，10(3):49-53.Three-dimension Model and Dynamic Animation of Four-barMechanism of Hydraulic SupportAbstract:UsingUG/motion rapidlyse

11、ts up thewhole model ofthe hydraulic support， then simulatingthe risingand declining process withthe UG/animation， atthe same time to assure whether the maximal horizontal dis-placement movement is accordwith the design requirementor not， utilizingthe markertotrace the end pointofthe roof beam.Key w

12、ords:hydraulic support; four-bar mechanism; three-dimension model; dynamic animation大采高强力液压支架的参数确定及结构设计摘要:大采高强力液压支架是针对神东煤田浅埋深、薄基岩、厚风积沙等特定地质条件而 研制的一种高性能综采液压支架。本文对该类支架的工作阻力、初撑力、支护高度等主要 参数进行了分析计算，并对其主要结构进行了设计。关键词液压支架工作阻力结构设计1前言神东煤田煤层埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层，顶板岩层破断运动具有明显的特殊性，这 种类型的浅埋煤田在世界上较为少见，因而对该类型煤层顶板岩层的控制几乎没

13、有可借鉴 的成熟理论和适用的支护设备。从1991年起，神东煤炭公司相继对多个普采工作面和综采 工作面进行了矿压观测，研究浅埋深煤层顶板的矿压显现规律，在建立了一整套厚风积沙、 浅埋深煤层矿压理论，充分掌握“支架-围岩”相互作用关系后分别与德国DBT公司和英国 JOY公司合作，研制出了适应神东煤田采场矿压特点，满足高产高效型综采工作面煤层顶板 支护要求的高性能综采液压支架。图1大采高强力摘护真液压支架2 支架主要技术参数确定2.1 工作阻力浅埋煤层工作面在初次来压和周期来压期间,顶板结构都将出现滑落失稳,老顶难以形成自 身稳定的岩梁结构,支架主要承受结构失稳形成的压力,最危险状态的载荷是“给定失

14、稳载 荷”状态。支架工作阻力根据该矿压理论计算确定。(1) 老顶初次来压期间的支护阻力计算支架必须提供的支护阻力 Pm0 由直接顶岩柱重量 W 和老顶结构滑落失稳所传递的压力 RD0 组成,即Pm0=W+RD0龙中（I 1猪顷初次来JUJlVJlXJ支护HL力计讦 立架必细提供的立护肌九尸“由直接顶岩柱 巧霍B 刊芒帀汕构滑涪犬税所代递的汗）用M 血.即P二 WF -h Ji ij i作川，文.架的Il.接顶岩朴歪圮为 W =叶式中 Ls拧丁页距K仪：L玄架宽度；DI（按顶厚度； 空；曰视寤度。世rijji.i构湘落夫穂f专皿压力）i0 24-3：；uB,初次-來床时战荷代迎茅数-K rwi=

15、 la/ （ 271 I Ar nnK a；e就荷环内陳擦角：A戦荷层侧应力系数：K旳載f.J传说的Il f trij因-JAn 一一屋顶V；玦K止：占硕关瞇丿兴视需度：-辍荷层厚皮：-一减荷出T：均视需度；-I祈裂岩块冋转九：地度（聲地厚皮与阻戊上【-所UL初次来制血磁所需 咚的支护卩1力为1 J -ICI A ? 卜送N F苓十Jl l .-f- Au r.ci/l I Jeu P i L. 11.丿I I - V7 屈U心在“台I域T占染“绍；构卜二 支架型、甸疑沖毛 岸文幻SIL尢r厂”F T【姿顶申主忻:車存 申I昌顶紀松i 目苗火无急用2 .i处内川打 代“盘目J应，UU2 、=IV IK 2= 事八 IK it占顶结构州马需g不惹十乍川卸灵衆 -） !一 2rtir I Qp .I.UK + si t hOi沁弋中 J-JI把J页关趣块较出几ud jmw