液壓支架在Solidworks平臺上的運(yùn)動(dòng)仿真分析

王玉山，史文萍

1.山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)機(jī)械制造局，山西陽泉 045000

2.山西陽泉煤業(yè)集團(tuán)華越機(jī)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(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)慢慢的普遍開來，但是大多數(shù)還僅僅停留于表面的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并不能充分的利用三維設(shè)計(jì)軟件的作用。Solidworks 是一款強(qiáng)大的機(jī)械行業(yè)三維模型設(shè)計(jì)軟件，不僅具有強(qiáng)大的三維建模、曲面設(shè)計(jì)、管道布置、虛擬裝配、產(chǎn)品分析功能，還能夠?qū)υO(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和有限元受力分析，大大的提高了設(shè)計(jì)的可能性。Solidworks 軟件中的COSMOS motion 模塊能夠十分準(zhǔn)確的進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，能夠在實(shí)際生產(chǎn)之前就達(dá)到產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)情況。

液壓支架液壓支架是煤礦綜合機(jī)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(jī)器的安全工作空間。液壓支架的主要是由頂梁、底座、掩護(hù)梁、前后連桿、立柱以及各個(gè)千斤頂?shù)冉M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(gè)部分進(jìn)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(diǎn)，不再贅述。

圖1

2 對模型進(jìn)行優(yōu)化

對于一個(gè)龐大的系統(tǒng)，如果對其所有的部分全都應(yīng)用仿真分析，是十分不明智的。這樣不僅浪費(fèi)了運(yùn)算的時(shí)間和空間，而且一些次要微小的方面對仿真的結(jié)果也是一個(gè)很大的干擾。所以說，在仿真之前要對模型進(jìn)行優(yōu)化。

在solidworks 的COSMOS motion 分析模塊中，對一個(gè)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(zhuǎn)配成虛擬裝配體時(shí)就已經(jīng)建立的約束，這種約束屬于剛體約束，不會隨著運(yùn)動(dòng)的變化而變化。所以這種約束在運(yùn)動(dòng)仿真過程中不需要很大的計(jì)算量，另外一種約束是在仿真過程中建立的接觸關(guān)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(chǎn)生相互的作用力，軟件會在任意時(shí)刻根據(jù)運(yùn)動(dòng)情況計(jì)算隨時(shí)更新作用力，可見這種約束，需要十分龐大的計(jì)算量。

所謂的對運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)化就是抽取模型中我們最關(guān)心，最主要的運(yùn)動(dòng)，并且對這種運(yùn)動(dòng)的載體施加第二種約束，而對于比較次要的運(yùn)動(dòng)施加裝配約束。

在本文研究的模型中，我們關(guān)心的在四連桿的帶動(dòng)之下，支架在受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。所以四連之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)就是次要的運(yùn)動(dòng)，沒必要浪費(fèi)計(jì)算量，對其施加裝配約束。而整個(gè)模型在受力之下的運(yùn)動(dòng)情況是我們關(guān)心的運(yùn)動(dòng)，所以在支架上的受力應(yīng)用motion 中的接觸來施加約束。

優(yōu)化以后的模型能夠有效地減少計(jì)算量，抓住了模型運(yùn)動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以知道，在液壓支架中，對運(yùn)動(dòng)起到最關(guān)鍵作用的就是四連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)決定了液壓支架所有的承重部件的運(yùn)動(dòng)軌跡，支架連桿和掩護(hù)梁的受力情況，關(guān)系到整個(gè)支架模型的輪廓尺寸，影響著支架的穩(wěn)定性，重量和成本。所以，在本文中主要的分析對象時(shí)液壓支架中的四連桿機(jī)構(gòu)。

根據(jù)上述優(yōu)化方法，對分析對象進(jìn)行抽離，抽離之后，對模型進(jìn)行簡化，忽略模型中對運(yùn)動(dòng)無貢獻(xiàn)的組件，得到簡化模型如圖2 所示。根據(jù)簡化的模型和液壓支架實(shí)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(gè)階段。

1）初撐階段。在該階段千斤頂?shù)牧⒅従徤仙竭_(dá)預(yù)設(shè)的初撐力；

2）增阻階段。在該階段支架達(dá)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(dá)到安全閥動(dòng)作壓力為止；

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

4）降架階段。該階段主要是液壓支架進(jìn)行移駕動(dòng)作時(shí)，頂梁脫離頂板，在本文中主要分析在工作過程中的動(dòng)力學(xué)關(guān)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(gè)階段中液壓支架的支撐力有各自的特點(diǎn)，所以在仿真時(shí)要根據(jù)不同的階段施加不同的載荷。

5 對模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真

建立起裝配體之后，在solidworks 下方有“運(yùn)動(dòng)算例”選項(xiàng)卡。調(diào)出運(yùn)動(dòng)分析選項(xiàng)，看一看到運(yùn)動(dòng)算例中有三個(gè)選項(xiàng)，其中“基本運(yùn)動(dòng)”和“動(dòng)畫”是初級的，模擬運(yùn)動(dòng)的功能，并不能夠進(jìn)行在運(yùn)動(dòng)過程中對零部件加載載荷，也不能分析各個(gè)零部件之間的受力變化。我們這里選擇motion 分析。

根據(jù)對模型優(yōu)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(guān)系；對頂梁施加向上的外力載荷；對其他的四連桿機(jī)構(gòu)施加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，共面約束。

在本文中為描述相對關(guān)系，將支撐力設(shè)為100kN。雖然實(shí)際應(yīng)用過程中的支撐力不一定是這個(gè)值，但是以此求得的相對關(guān)系是準(zhǔn)確的。將上述的恒阻階段的支撐力微小波動(dòng)視為支撐力穩(wěn)定。根據(jù)上述的模型優(yōu)化原則和受力分析，用插值法在頂梁上設(shè)置驅(qū)動(dòng)載荷。并且為了得到更加接近支撐力各個(gè)階段的力，取不同時(shí)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(shí)的模擬支撐過程，為頂梁和頂板設(shè)置接觸關(guān)系。為了增加接觸關(guān)系的牢固性，為頂梁和頂板的材料都設(shè)置鋼，其碰撞關(guān)系式不完全剛性碰撞，剛度為100000N/mm，相互的穿透杜設(shè)為0.1mm，碰撞阻尼為50N/mm˙s。以為數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，可以得到整個(gè)液壓支架的運(yùn)動(dòng)過程。

仿真結(jié)果不僅能夠直觀的以動(dòng)畫的形式顯示運(yùn)動(dòng)情況，而且能夠?qū)θ魏我粋€(gè)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)特性以圖表的形式輸出，在本文中以掩護(hù)梁一定量的鉸接處為例，得到掩護(hù)梁收到的頂梁對其的作用力變化圖如下圖所示。

在這個(gè)圖中可以看到掩護(hù)梁在支架慢慢撐起的過程中有一個(gè)受力的突變，形成一個(gè)脈沖式的負(fù)載。其原因是在頂梁頂?shù)巾敯鍟r(shí)，由于突然的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，導(dǎo)致掩護(hù)梁的受力突變，并且在圖中可以發(fā)現(xiàn)，這種突變發(fā)生了不止一次，由此推斷，在頂梁頂?shù)巾敯鍟r(shí)，由于彈性，發(fā)生了幾次非常微小的反彈。

6 結(jié)論

在本文中利用三維軟件對液壓支架進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真的分析，通過軌跡跟蹤，能夠得到相關(guān)的曲線圖以及動(dòng)畫演示來表達(dá)支架運(yùn)動(dòng)的真實(shí)過程在一定程度上反映了液壓支架真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，將它應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品上，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期階段進(jìn)行虛擬仿真，設(shè)計(jì)者可以在其中找出設(shè)計(jì)中可能存在的問題，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。