基于Pro/E的虚拟液压支架的研究与应用

液压支架是综采工作面三机配套 (液压支架、采煤机、刮板输送机) 的核心设备, 其作用不仅是支护顶板、维护安全作业空间, 还要推移工作面刮板输送机、实现支架的自移。因此, 支架的适应性和可靠性是决定综采成功与否的关键因素。设计出参数合理、结构优化的液压支架, 对于提高机采效率, 降低工人劳动强度, 创造安全可靠的工作条件, 建设高产、高效矿井是十分必要的。然而, 采用传统的设计方法和理念难以满足设计要求。随着计算机技术的迅猛发展, 打破传统设计方法, 采用功能强大、易学好用的Pro/E对液压支架进行三维精确造型的设计理念逐步得到了推广和应用。

液压支架虚拟样机作为一项新的设计工程技术, 在支架设计领域中已经逐渐显示出强大的生命力, 而且越来越快地被支架设计人员所接受应用。液压支架的虚拟样机不仅可以在计算机上实现无数次物理样机无法进行的虚拟加载实验, 而且可以提前发现支架结构件、千斤顶、销轴等零部件之间的运动干涉, 既提高了设计质量, 缩短研发周期, 又节省了人力、物力, 减少了资源浪费。

1 液压支架虚拟样机的快速精确建模

1.1 实体造型

Pro/engineer是美国参数技术公司开发的三维设计软件, 是一套由设计到生产全面覆盖的机械自动化软件。它提供多种实体造型方法, 如:拉伸、旋转、扫描、对称、镜像等。一般来讲, 同一个零件也有几种造型方法。例如:某个销轴模型即可以用旋转生成, 也可由拉伸或曲面实体填充的方法获得。但是不同的造型手段生成的文件体积大小不同, 而且造型速度也有很大差别。因此, 选择科学合理的造型方法不仅能提高工作效率, 对节约计算机磁盘空间, 加快软件的分析速度也尤为重要。形状类似的零件, 例如筋板、销轴可以按照如下步骤:新建零件文件→选择基础特征命令→选择参考面→绘制支架零件二维草图轮廓→完成支架部件基础特征的创建→保存零件文件→重命名保存副本→编辑副本尺寸达到图样要求→再生即可得到系列模型。实践证明, 该造型方法省去草绘的烦琐步骤, 不易出错、效率高。

1.2 虚拟装配

以公司制造的ZY10000/26/56大采高液压支架为例进行精确建模, 创建完所有部件模型后, 开始对支架部件进行装配。零件正确装配是支架运动仿真的必要条件。在装配环境中底座作为支架模型的基准部件, 用坐标系对它施加固定, 而后通过面匹配、面对齐、轴对齐、联接、角度等装配关系, 将支架掩护梁、前连杆、后连杆、顶梁、立柱、千斤顶等零部件依次进行装配。其整机装配结果如图1。

2 虚拟样机的模型分析

由于受到罐笼、巷道等设备的制约, 淮北矿区大多数液压支架都要解体下井。根据不同煤矿的具体条件, 支架解体的方式多种多样, 例如把支架解成三大部分:顶梁、伸缩梁、护帮板及有关千斤顶等部件作为一体;掩护梁、平衡千斤顶等销轴作为一体;底座、连杆等作为一体。各个部分的质量、重心位置对下井装车形式非常重要, 采用虚拟部件对其进行分析, 可以很快解决传统方法难以处理的重心位置问题。下面是对ZY10000/26/56液压支架底座、连杆、销轴等装车组合部件, 如图2。

利用分析模块对图2支架底座、连杆、销轴等组合部件的质量、重心位置求解, 过程如下:选择“分析→模型→质量属性”后进行分析预览, 即可迅速得到组合部件的质量属性, 如图3。

3 虚拟样机的运动仿真

虚拟支架的运动仿真分析主要包括: (1) 计算支架在不同时的重心坐标; (2) 检测四连杆机构在升降高度范围内有无运动干涉, 受力是否合理; (3) 验证支架顶梁运动轨迹在升降范围内能否符合梁端距摆动幅度要求 (三机配套要求) , 参数值有无突变和仿真的骤停。

通常而言, 为便于运动仿真, 首先对虚拟样机做出假设: (1) 固定底座, 顶梁上表面与底座底面采用“常规”约束; (2) 平衡千斤顶不受力; (3) 主动电机加在立柱的活柱上。

采用运动分析, 绘制出了ZY10000/26/56液压支架在最大高度5600mm到最小高度2600mm范围内运动时的双纽线曲线图, 其值在0~76mm之间变化, 符合支架设计梁端距摆动幅度Δx≤30~80mm。

4 结语

通过利用Pro/E对虚拟液压支架的快速精确建模、装配、仿真分析, 其结果形象直观, 仿真效果良好, 解决了二维CAD无法解决的实际问题, 为液压支架的设计、制造提供了一种方便、实用的分析方法。

摘要：利用Pro/engineer对液压支架进行快速建立虚拟样机, 然后利用其分析、运动仿真模块确定支架重心位置、重量核算、图纸尺寸检验、动态干涉检查、顶梁双纽线轨迹绘制等, 使支架设计和制造更加准确、高效、快捷。

关键词：Pro/E,液压支架,三维建模,运动仿真,双纽线

参考文献

[1] 地下开采现代技术理论与实践新进展[M].煤炭工业出版社.

[2] 王国法.液压支架技术[M].煤炭工业出版社.