基于VB的液壓支架CAD設計平臺探析

樂柱

摘 要：液壓支架廣泛應用于煤礦機械化綜采作業面，隨著其應用范圍的不斷擴大，傳統液壓支架產品設計和應用顯露出滯后性，為此要開發基于VB環境下的液壓支架CAD設計平臺，結合液壓支架的實際使用需求，利用三維設計軟件和ACCESS數據庫系統，進行不同模塊的優化設計，包括整體受力、強度校核、三維參數建模、數據庫等模塊，實現基于VB的液壓支架CAD設計平臺的參數化、標準化。

關鍵詞：液壓支架 CAD設計平臺 參數

中圖分類號：TD35 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）11（c）-0109-02

回采作業面廣泛應用液壓支架，以實現對作業面頂板的支撐、采空區的有效隔離，對于提升綜采效率和產量有極其重要的輔助性作用和意義。隨著綜采作業面的縱深發展，原有的液壓支架設計和使用顯露出滯后性，難以滿足高工作阻力、高工作強度的作業需求。如傳統二維力學模型設計為主的液壓支架缺乏實時更新，各零件之間相互干涉等問題。為此，本文重點探討基于VB的液壓支架設計，運用三維設計軟件和ACCESS數據庫系統，研制和開發液壓支架CAD設計平臺，進行具有高可靠性液壓支架的設計，較好地實現液壓支架的模塊化、參數化。

1 液壓支架設計相關概述

液壓支架用于對作業面頂板的支護，體現出良好的支護性、高強度、安全可靠的優勢特點，普遍適用于綜采機械化、自動化作業之中。在當前的液壓支架設計之中，主要采用掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架，其中：（1）掩護式液壓支架。是采用單排斜立柱結構的液壓支架，有相對寬的掩護梁，適用于直接頂中等穩定以下、壓力較弱的作業面，可以承受一定的水平推力，然而作業空間和通風斷面較為狹窄。（2）支撐掩護式液壓支架。該支架采用整體剛性和分體鉸接的不同方式設計頂梁，并設計傾斜的兩排立柱，使之支撐頂梁和底座；掩護梁部分上接頂梁、下連底座和連桿，并采用雙人行通道，適宜于直接頂中等穩定及堅硬、壓力極強的綜采作業面。

本文重點研究兩柱掩護式液壓支架，將其設計為承載結構件、液壓缸、控制元部件、輔助裝置等零部件，其工作原理是利用不同性質的液壓缸完成升降、推移等動作，具體來說，主要體現為以下方面：（1）支架升降。通過立柱的伸縮運動實現液壓支架的升降操作，在初撐階段，支架操縱單向閥將泵站輸送的高壓液體送至立柱下腔，立柱上腔進行排液，并升起活柱和頂梁，將頂板支撐起來。之后進入承載階段，頂板下沉的壓力使液壓支架受到彈性壓縮，液壓缸出現彈性擴張，這就是支架對頂板的支撐力也即工作阻力，它通過安全閥泄出液體而使立柱下縮，并使立柱保持恒定的工作阻力。最后進入卸載階段，即操縱閥位于降架位置，立柱上腔注入高壓液體，而立柱下腔則排出液體，支架卸載完成。（2）拉架和推溜。在降柱卸載的條件下，由操縱閥將高壓液體推移進入活塞桿腔，實現液壓缸控制下的液壓支架和輸送機前移操作。

2 基于VB的液壓支架CAD設計平臺總體設計

基于VB的液壓支架CAD設計是復雜的過程，要依循規劃設計、方案設計、技術設計的流程進行運作，在基于市場調研的前提下，構思基于VB的液壓支架設計方案，并使之轉化為合理產品零部件的合理結構。

2.1 平臺架構

要運用三維設計軟件和ACCESS數據庫系統，研制和開發液壓支架CAD設計平臺，并進行液壓支架整體受力數據分析，了解液壓支架運動狀態、關鍵部件處于一定高度時的受力情況、底板比壓分布等，并構建液壓支架數據庫，較好地提升基于VB的液壓支架CAD平臺的精準度和質量。

2.2 平臺設計流程

基于VB的液壓支架CAD設計平臺以Visual Basic為集成開發環境，借助于具有開放性體系結構的三維設計軟件Solidworks2009，實現面對對象的可視化程序開發和設計，通過向液壓支架數據庫調用適宜的參考架型，優化設計合理的支架四連桿結構，并對其進行整體受力分析、強度校核、立體三維干涉檢查和運動仿真，最后進行CAE有限元分析和支架動力學分析，使之滿足設計規范和相關要求。

3 基于VB的液壓支架CAD設計平臺的模塊化設計應用

3.1 數據庫模塊設計

在液壓支架的數據庫模塊設計過程中，要結合支架的不同架型進行設計，以掩護式液壓支架數據庫模塊設計為例，主要包括以下設計內容：（1）數據庫模塊界面設計。要在該界面中顯示液壓支架的架型、技術特征、使用條件、技術與結構參數，對所有數據實現查詢、修改、添加、刪除操作和管理。其中，支架的技術參數包括有工作阻力、支架的長寬高及中心距、初撐力、支護強度、立柱缸徑及柱徑等。支架的結構特征參數主要包括有掩護梁及前后連桿的長度、頂梁與掩護梁鉸接點的水平距離和底面距離、立柱上鉸點與頂梁的距離等。（2）建立液壓支架數據庫?？梢赃x取基于VB的Access可視化數據管理庫，采用ADO數據訪問接口，添加ADO控件，并設置ConnectionString屬性。

3.2 優化設計模塊

要進行液壓支架的優化設計，以支架工作高度和工作阻力為例，可以采用復合型法進行掩護式工作面液壓支架的四連桿結構優化設計，改善掩護式工作面液壓支架四連桿結構的整體受力狀況，并保證支架前后連桿受力最小。

3.3 液壓支架整體受力模塊設計

考慮到液壓支架的頂板壓力大小、作用位置、頂板與頂梁接觸狀況的變化因素，要進行液壓支架整體受力情況分析，精準獲悉一定高度條件下各部件的空間幾何關系、受力變化情況，進行截面強度計算和校核。具體來說，可以利用Matlab和VB混合編程技術，簡化顯示液壓支架運動分析模型，計算剛性鉸接支架結構各鉸接點的坐標，設計相關程序，輸入液壓支架的立柱工作阻力、平衡千斤頂、支架最高及最低工作高度等數據，計算分析液壓支架頂板載荷、頂梁與掩護梁鉸點合力、底板比壓等參數，獲取液壓支架在不同工作高低狀態下的受力情況。

3.4 液壓元件校核模塊設計

可以在液壓支架CAD設計平臺中設計并確定“立柱校核程序”，界面展示相關的立柱校核參數，如活柱全部伸出時活柱端部銷孔至最大撓度處的間距、活柱直徑、外缸的內外徑、立柱最大工作阻力等，在程序中輸入相關的參數進行計算分析。同時，還要選擇和確定“千斤頂校核程序”，在程序中輸入相關的參數：油缸最大工作阻力、立柱總重量、油缸軸線與水平線的夾角、缸筒內的液體壓力，活塞桿與導向套處最大配合間隙、缸體壁厚等，并進行油缸撓度、活塞桿合成應力、安全系數的計算和自動分析。通過上述液壓元件的校核模塊設計，可以實現雙伸縮油缸的穩定性校核、活塞桿強度校核和缸體強度校核。

4 結語

綜上所述，基于VB的液壓支架CAD設計采用先進的計算機信息化平臺，運用類比優化的理念和思想，對液壓支架進行三維參數設計，集成液壓支架相關數據庫，進行液壓支架的整體力學分析和強度校核，實現基于VB的液壓支架模型高度參數化、自動化。未來還要加強對液壓支架的CAE模塊的開發，要運用參數化設計語言和軟件進行液壓支架設計的二次開發和封裝，并全面反映VB環境下液壓支架的動力學參數，完善支架頂梁、掩護梁、底座的強度校核模塊。

參考文獻

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