基于SolidWorks的液壓支架簡化建模方法研究

陳雪婷，鄭曉雯，陳 超

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引言

計算機仿真已成為極為重要的科研手段，采用三維軟件對液壓支架進行建模、仿真及分析成為支架設(shè)計發(fā)展的必然趨勢。SolidWorks 軟件具有強大的可視化建模功能，將支架每個部件結(jié)構(gòu)和每層裝配關(guān)系都清晰、直觀地顯示出來,從視覺上帶給人們更感性的認識[1]。本文所研究的ZY6000/25/50 型兩柱掩護式液壓支架主要由頂梁、掩護梁、底座、前后連桿、立柱和千斤頂?shù)炔糠纸M成。由于液壓支架模型本身復(fù)雜龐大，導(dǎo)入到有限元分析軟件中會耗費大量的計算機內(nèi)存，甚至由于內(nèi)存有限導(dǎo)致有限元分析工作無法完成，因此為了節(jié)省計算資源，提高分析效率，需要對液壓支架模型進行合理的簡化。

1 液壓支架的三維建模

建立液壓支架各零部件三維模型前，詳細地分析各零部件的結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的零部件分解為若干個簡單的零部件，并分析各個零部件的形狀、位置及相互關(guān)系。對液壓支架整機的建模一般采用自下向上的方法, 即先依據(jù)各零部件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸建立其三維模型, 然后再按照它們彼此之間的裝配和約束關(guān)系逐個進行組裝, 最后完成整機的虛擬裝配。對液壓支架各部件的精確建模和正確定義各部件之間的裝配關(guān)系, 是完成液壓支架整機建模的關(guān)鍵[2]。

1.1 頂梁的簡化建模

頂梁的三維模型如圖1 所示。液壓支架頂梁由頂板、主筋、蓋板、筋板、柱帽等組成，建模時對其進行簡化，忽略對受力影響很小的倒角、小孔等。頂板由幾塊鋼板焊接而成，為方便后續(xù)有限元分析，忽略具體結(jié)構(gòu)，將其視為一塊鋼板建模[3]。

1.2 掩護梁的簡化建模

圖1 頂梁的三維模型Fig.1 3D model of canopy

圖2 掩護梁的三維模型Fig.2 3D model of caving shield

掩護梁是連接頂梁和四連桿機構(gòu)的重要部件，對其進行適當簡化之后建立的三維模型如圖2所示。

1.3 底座的建模

底座由過橋、柱窩、筋板和底板組成，它的結(jié)構(gòu)也比較對稱，可以用鏡像的功能節(jié)省建模時間。底座的三維模型如圖3 所示。

圖3 底座的三維模型Fig.3 3D model of the base

1.4 前后連桿的建模

前后連桿的結(jié)構(gòu)相對簡單，也是對稱結(jié)構(gòu)，故可充分利用鏡像節(jié)省建模時間。它們的三維模型如圖4 所示。

圖4 前后連桿的三維模型Fig.4 3D model of front and back link

1.5 立柱外缸、中缸、小柱及平衡千斤頂?shù)慕?/h3>

立柱和千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)也比較簡單，可以通過旋轉(zhuǎn)命令生成模型，相比拉伸更簡單快捷，生成的文件體積也比較小。由于立柱和千斤頂?shù)慕２捎煤喕嫹ǎ室J真計算配合尺寸。

2 建模技巧及需注意的問題

結(jié)合液壓支架建模的實踐，提出以下幾點建模技巧及需注意的問題：

（1）選擇對部件建模。如把頂梁部件建成一個整體，代替之前把每個零件都畫出來再裝配的建模方法，這樣有利于進行后續(xù)的有限元分析。因此要更加明確部件的各個結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系。

（2）液壓支架零部件大多是由多塊鋼板焊接而成，焊接后焊縫的強度與母材非常接近，為提高建模和分析效率，忽略焊縫。

（3）選好合適的基準面。由于簡化時按部件建模，選擇好合適的基準面有助于鏡像的使用和支架裝配。

（4）熟練使用鏡像、轉(zhuǎn)換實體引用命令。由于很多部件結(jié)構(gòu)對稱，使用鏡像可大大提高建模效率，而轉(zhuǎn)換實體引用可方便、準確、快速的獲取已建好的實體特征的點線面。

（5）合理規(guī)劃建模順序。認真識讀二維圖紙，規(guī)劃好建模順序，有助于建模時思路清晰，不易出錯。例如，首先分析頂梁的具體結(jié)構(gòu)，先主后次依次建立構(gòu)件，了解底板具體結(jié)構(gòu)和尺寸，然后以底板為基準，測量主筋板的尺寸以及在底板上的具體位置，最后畫各主筋之間的隔板以及蓋板等。

（6）鏡像出現(xiàn)多余實體。由于建模時多次用到拉伸命令，對于使用成形到實體、成形到下一面或成形到一面命令，有時鏡像之后出現(xiàn)多余實體，如與要鏡像的實體之間形成連續(xù)實體。此時可以將拉伸生成方式改為給定深度，這樣生成方式比較明確，軟件可以準確識別，鏡像時不易出現(xiàn)多余實體。

（7）無法生成特征，此命令將導(dǎo)致厚度為零的幾何體。出現(xiàn)這種錯誤提醒時，可以添加或移動足夠的實體材質(zhì)到零厚度幾何體的區(qū)域，以正確連接邊線和頂點。或者可以在拉伸Property Manager 中，清除方向中的合并結(jié)果，這樣會生成多實體零件。

（8）使用剖視圖。點擊剖視按鈕之后，用鼠標拉動箭頭可以查看到各個截面的剖視圖，方便我們選取被實體遮住不易選擇的點線面，同時還可以利用剖視圖檢查已建好的實體是否正確。

3 液壓支架的裝配

在SolidWorks 中對建好的部件進行裝配，裝配流程：插入零部件→配合→選擇要配合的點、線、面→確定。配合過程中可能出現(xiàn)操作過定義，導(dǎo)致出錯，無法繼續(xù)裝配。經(jīng)過多次嘗試，總結(jié)出以下幾點經(jīng)驗。

（1）底座的裝配。最先插入的零部件，SolidWorks 會將其默認為固定，在此選擇最先插入底座將其設(shè)為固定。由于立柱與底座、頂梁之間通過球面配合，如果最后添加容易出現(xiàn)過定義的錯誤提醒，所以要選擇合適的插入零部件的順序。可以按照底座→立柱外缸→中缸→小柱→頂梁→掩護梁→后連桿→前連桿→千斤頂?shù)捻樞蜻M行裝配。

（2）立柱的裝配。立柱的外缸與底座之間通過兩個球面配合，而SolidWorks 2014 之前的版本沒有球面配合命令，較低版本可以通過建立基準軸和同軸心的方式配合。立柱的中缸與外缸之間除了同軸心之外，還應(yīng)采用距離配合，在配合中選擇高級配合，之后選擇距離，輸入距離的最大值和最小值即可完成行程的設(shè)置。小柱與中缸的配合與此類似。小柱與頂梁的配合同外缸與底座的配合類似。

（3）頂梁的裝配。頂梁除了與立柱小柱之間的球面配合，還要設(shè)置裝配高度。根據(jù)GB25974-2010《煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》規(guī)定，頂梁偏載試驗時，支架高度為支架最低高度加300mm；其余項目試驗時，支架高度為支架最大高度減去支架行程1/3[4]。ZY6000/25/50 型液壓支架的最大高度為5000mm，行程為2500mm，暫設(shè)按其余工況加載，故支架裝配高度為4167mm，即頂梁的上頂板距離底座下底板高度應(yīng)設(shè)為4167mm。

（4）掩護梁的裝配。掩護梁與頂梁鉸接，配合方式選擇同軸心并保持兩構(gòu)件之間有5mm 的間隙。

（5）后連桿、前連桿、千斤頂與頂梁、掩護梁、底座之間的配合，均采用鉸接，配合時選擇同軸心并保持兩構(gòu)件之間有5mm 的間隙。

（6）立柱共兩個，先裝配好一個立柱，另一個采用鏡像的方式生成，否則會出現(xiàn)過定義錯誤提示。前連桿也可采用此方法。

（7）熟練使用隱藏和顯示零部件。裝配時，有些零部件被遮蔽不容易選取，這時可以將零件隱藏以方便我們選取被遮擋的零部件。

另外，建立好液壓支架三維模型后，還要進行干涉檢查，以確保零件裝配時沒有相互“嵌入”。如果出現(xiàn)干涉，需調(diào)整相互干涉零部件的配合和尺寸等，使運動仿真能夠順利進行[1]。裝配好的液壓支架如圖5 所示。

圖5 液壓支架的裝配模型Fig.5 Assembly model of hydraulic support

4 SolidWorks 中的運動仿真

通過運動仿真模擬液壓支架升柱過程，使得支架的裝配關(guān)系更直觀地展現(xiàn)。立柱工作原理示意圖如圖6 所示。進入A 口的液壓油首先作用于立柱外缸的活塞面上，在未打開底閥的情況下立柱中缸首先升起。中缸升至極限位置后，外缸活塞腔內(nèi)的液體壓力增高，打開底閥（單向閥）使液壓油進入中缸的活塞腔，使得小柱升起支撐頂板[1]。利用SolidWorks 軟件自帶的Solidworks Motion 插件新建運動算例，分別對中缸、小柱添加4 個線性馬達，在“運動”中選擇“線段”，結(jié)合立柱升高的高度依次設(shè)置時間和位移值。線性馬達的配置如表1 和表2 所示。液壓支架由最低位置開始先伸出中缸，經(jīng)過12.50s 后達到外缸的限位，行程為1250 mm;然后伸出立柱小柱，經(jīng)過4.15s 后達到液壓支架的裝配高度，行程為415.21mm[1]。

圖6 立柱工作原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of column

表1 線性馬達中缸的配置Tab.1 Configuration of linearm otor in middle cylinder

表2 線性馬達小柱的配置Tab.2 Configuration of linear motor in small column

5 結(jié)束語

通過合理使用SolidWorks 軟件，建立合適的液壓支架三維簡化模型，將其保存為parasolid（“x_t”格式）文件，可為導(dǎo)入到其他軟件中進行所需的分析研究打下良好的基礎(chǔ)，如導(dǎo)入到有限元分析軟件ABAQUS 中進行有限元分析，或機械系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS 中進行運動仿真和動力學分析等。

[1]司炎飛，王守信，李亮，等．基于Solidworks 的液壓支架運動仿真及優(yōu)化設(shè)計[J]．煤礦機電，2014，2.

[2]蔡文書，程志紅，沈春豐．基于SolidWorks 的液壓支架三維建模和運動仿真[J]．煤礦機械，2008，11.

[3]董文浩，陳安林，石恩嘉，等．基于虛擬樣機的液壓支架三維建模及運動仿真[J]．煤礦機械，2013，2.

[4]煤炭科學研究總院開發(fā)設(shè)計研究分院. GB25974-2010. 煤礦用液壓支架（第1 部分）：通用技術(shù)條件[S]. 北京：中國標準出版社，2011.