液壓支架在Solidworks平臺上的運動仿真分析

王玉山，史文萍

1.山西陽泉煤業集團機械制造局，山西陽泉 045000

2.山西陽泉煤業集團華越機械有限公司，山西陽泉 045000

1 建立液壓支架的三維模型

三維模型設計在機械設計領域已經慢慢的普遍開來，但是大多數還僅僅停留于表面的機械結構的設計，并不能充分的利用三維設計軟件的作用。Solidworks 是一款強大的機械行業三維模型設計軟件，不僅具有強大的三維建模、曲面設計、管道布置、虛擬裝配、產品分析功能，還能夠對設計的產品進行動力學仿真和有限元受力分析，大大的提高了設計的可能性。Solidworks 軟件中的COSMOS motion 模塊能夠十分準確的進行動力學仿真，能夠在實際生產之前就達到產品的運動情況。

液壓支架液壓支架是煤礦綜合機械化開采的重要裝備,在井下采煤工作面能夠有效地支撐和控制工作面頂板，保證工人、機器的安全工作空間。液壓支架的主要是由頂梁、底座、掩護梁、前后連桿、立柱以及各個千斤頂等組成。本文研究的液壓支架型號是ZF15000/28/52 型放頂煤液壓支架，分別對液壓支架的各個部分進行1：1 建模之后三維模型如圖1 所示。

本文中的模型建模過程采用的是較為普遍的bottom-up 建模順序，思路明確，條理清晰。建模的操作非本文重點，不再贅述。

圖1

2 對模型進行優化

對于一個龐大的系統，如果對其所有的部分全都應用仿真分析，是十分不明智的。這樣不僅浪費了運算的時間和空間，而且一些次要微小的方面對仿真的結果也是一個很大的干擾。所以說，在仿真之前要對模型進行優化。

在solidworks 的COSMOS motion 分析模塊中，對一個裝配體的零件間的約束有兩種形式，一中是裝配約束，既在轉配成虛擬裝配體時就已經建立的約束，這種約束屬于剛體約束，不會隨著運動的變化而變化。所以這種約束在運動仿真過程中不需要很大的計算量，另外一種約束是在仿真過程中建立的接觸關系的約束，這種約束存在于零件間的接觸面上，在接觸面上也會產生相互的作用力，軟件會在任意時刻根據運動情況計算隨時更新作用力，可見這種約束，需要十分龐大的計算量。

所謂的對運動模型的優化就是抽取模型中我們最關心，最主要的運動，并且對這種運動的載體施加第二種約束，而對于比較次要的運動施加裝配約束。

在本文研究的模型中，我們關心的在四連桿的帶動之下，支架在受力時的運動情況。所以四連之間的相對轉動就是次要的運動，沒必要浪費計算量，對其施加裝配約束。而整個模型在受力之下的運動情況是我們關心的運動，所以在支架上的受力應用motion 中的接觸來施加約束。

優化以后的模型能夠有效地減少計算量，抓住了模型運動的主要矛盾，是以后的分析工作變得條理清晰，有效率。

3 模型的分析

通過對液壓支架的機械結構進行分析可以知道，在液壓支架中，對運動起到最關鍵作用的就是四連桿機構。連桿機構決定了液壓支架所有的承重部件的運動軌跡，支架連桿和掩護梁的受力情況，關系到整個支架模型的輪廓尺寸，影響著支架的穩定性，重量和成本。所以，在本文中主要的分析對象時液壓支架中的四連桿機構。

根據上述優化方法，對分析對象進行抽離，抽離之后，對模型進行簡化，忽略模型中對運動無貢獻的組件，得到簡化模型如圖2 所示。根據簡化的模型和液壓支架實際工作過程中的受力情況得到簡化的受力分析示意圖，如圖3。

圖2

圖3

其中液壓支架對外的支撐力在撐起過程中由于收到的外力不同，將撐起的過程分為四個階段。

1）初撐階段。在該階段千斤頂的立柱緩緩上升到達預設的初撐力；

2）增阻階段。在該階段支架達到初撐力后，隨著頂板的緩慢下沉，封閉在立柱下腔的工作液體緩慢升高，立柱的推力即支架對頂板的支撐力也隨之增大，直到立柱下腔壓力達到安全閥動作壓力為止；

3）恒阻階段。在增阻階段，當壓力慢慢達到安全閥的動作壓力時，安全閥打開溢流，壓力不再增加，液壓支架的支撐力達到恒定；

4）降架階段。該階段主要是液壓支架進行移駕動作時，頂梁脫離頂板，在本文中主要分析在工作過程中的動力學關系，所以不分析該過程。

其中初撐階段，增阻階段，恒阻階段的壓力曲線如下圖4所示。

圖4

其中t0 階段是初撐階段，t1 階段是增阻階段，t2 階段是恒組階段。這四個階段中液壓支架的支撐力有各自的特點，所以在仿真時要根據不同的階段施加不同的載荷。

5 對模型進行運動仿真

建立起裝配體之后，在solidworks 下方有“運動算例”選項卡。調出運動分析選項，看一看到運動算例中有三個選項，其中“基本運動”和“動畫”是初級的，模擬運動的功能，并不能夠進行在運動過程中對零部件加載載荷，也不能分析各個零部件之間的受力變化。我們這里選擇motion 分析。

根據對模型優化的方法，先對模型施加以下的約束和載荷：對頂梁和頂板施加接觸關系；對頂梁施加向上的外力載荷；對其他的四連桿機構施加相應的旋轉，共面約束。

在本文中為描述相對關系，將支撐力設為100kN。雖然實際應用過程中的支撐力不一定是這個值，但是以此求得的相對關系是準確的。將上述的恒阻階段的支撐力微小波動視為支撐力穩定。根據上述的模型優化原則和受力分析，用插值法在頂梁上設置驅動載荷。并且為了得到更加接近支撐力各個階段的力，取不同時間段不同的力。具體插值如下：

0s ～1.5s：線性加載0kN ～65kN；

1.5s ～4.5s：線性加載65kN ～100kN

為了真實的模擬支撐過程，為頂梁和頂板設置接觸關系。為了增加接觸關系的牢固性，為頂梁和頂板的材料都設置鋼，其碰撞關系式不完全剛性碰撞，剛度為100000N/mm，相互的穿透杜設為0.1mm，碰撞阻尼為50N/mm˙s。以為數據進行仿真分析，可以得到整個液壓支架的運動過程。

仿真結果不僅能夠直觀的以動畫的形式顯示運動情況，而且能夠對任何一個點的動力學特性以圖表的形式輸出，在本文中以掩護梁一定量的鉸接處為例，得到掩護梁收到的頂梁對其的作用力變化圖如下圖所示。

在這個圖中可以看到掩護梁在支架慢慢撐起的過程中有一個受力的突變，形成一個脈沖式的負載。其原因是在頂梁頂到頂板時，由于突然的運動狀態的改變，導致掩護梁的受力突變，并且在圖中可以發現，這種突變發生了不止一次，由此推斷，在頂梁頂到頂板時，由于彈性，發生了幾次非常微小的反彈。

6 結論

在本文中利用三維軟件對液壓支架進行了運動仿真的分析，通過軌跡跟蹤，能夠得到相關的曲線圖以及動畫演示來表達支架運動的真實過程在一定程度上反映了液壓支架真實的運動情況，將它應用到實際的產品上，可以在產品設計的初期階段進行虛擬仿真，設計者可以在其中找出設計中可能存在的問題，提出相應的改進措施。