支頂掩護(hù)式液壓支架的研究

□ 趙 北 □ 馬 趕 □ 王 海 □ 林君哲 □ 楊洪朋

1.三一重型裝備有限公司 沈陽 110027 2.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院 沈陽 110819

1 研究背景

數(shù)字孿生技術(shù)作為新的數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù),已應(yīng)用至與工業(yè)4.0相關(guān)的智能制造領(lǐng)域[1-2]。液壓支架是現(xiàn)代化煤礦綜合開采裝備的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著采煤層深度和厚度的增大,以及綠色節(jié)能環(huán)保理念的提出,液壓支架的設(shè)計和工作要求越來越高。另一方面,傳統(tǒng)的強度和疲勞樣機試驗往往只能得到少量數(shù)據(jù),并且耗資耗時,計算機技術(shù)的發(fā)展則為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的仿真提供了有效平臺[3-5]。通過建立基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化樣機,代替真實物理樣機進(jìn)行分析,可以指導(dǎo)物理樣機的設(shè)計,能夠進(jìn)一步為細(xì)化數(shù)字化樣機提供建模參考,反映環(huán)境對性能的影響。利用所建立的數(shù)字化樣機進(jìn)行分析,還可以測試物理樣機在使用中的性能,并進(jìn)行校驗,將結(jié)果反饋至設(shè)計階段[6-10]。

2 建模

在Creo 4.0軟件中對Z77-3D型支頂掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行參數(shù)化建模。為減小工作量,在不影響仿真結(jié)果的前提下對一些零部件進(jìn)行簡化處理。利用裝配功能,對建模后的零件進(jìn)行裝配,最終獲得支頂掩護(hù)式液壓支架的三維模型,經(jīng)過檢驗無干涉后轉(zhuǎn)換為.parasolid格式文件,導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行動力學(xué)仿真。支頂掩護(hù)式液壓支架三維模型如圖1所示,主要工作機構(gòu)由頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱、平衡千斤頂、前連桿、后連桿組成。

▲圖1 支頂掩護(hù)式液壓支架三維模型

支頂掩護(hù)式液壓支架三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件后,并沒有質(zhì)量信息。為使操作方便,對各部件重新進(jìn)行命名,并編輯材料屬性。由圖1可以看出,共有十個銷軸用于連接各結(jié)構(gòu)件。因此,需要定義十個運動副。所定義的支頂掩護(hù)式液壓支架運動副見表1。

支頂掩護(hù)式液壓支架機構(gòu)運動簡圖如圖2所示,按照經(jīng)典機械理論來計算整個系統(tǒng)的自由度DOF:

DOF=3n-2pl-ph=3>0

(1)

式中:n為構(gòu)件數(shù);pl為低副數(shù)量;ph為高副數(shù)量。

表1 支頂掩護(hù)式液壓支架運動副

▲圖2 支頂掩護(hù)式液壓支架機構(gòu)運動簡圖

由圖2可知,需要添加三個驅(qū)動,包括兩個立柱驅(qū)動和一個平衡千斤頂驅(qū)動。因為立柱為兩級液壓油缸,所以需要添加兩級液壓驅(qū)動。立柱一級液壓油缸的驅(qū)動函數(shù)為STEP(time,0,0,1,800),0～1 s內(nèi)由0 mm運動至800 mm。立柱二級液壓油缸的驅(qū)動函數(shù)為STEP(time,0,0,1,450),0～1 s內(nèi)由0 mm運動至450 mm。平衡油缸的驅(qū)動函數(shù)為STEP(time,0,0,1,170),0～1 s內(nèi)由0 mm運動至170 mm。運動副間的摩擦類型為庫倫摩擦,動摩擦因數(shù)為0.3,靜摩擦因數(shù)為0.5。

3 運動學(xué)研究

對于支頂掩護(hù)式液壓支架立柱,設(shè)置仿真類型為Kinematic,結(jié)束時間為1 s,運動步數(shù)為1 000,運行仿真。頂梁的質(zhì)心運動軌跡如圖3所示,呈現(xiàn)明顯的雙扭線形變化,且雙向擺動。

▲圖3 頂梁質(zhì)心運動軌跡

在支架升降的絕大部分范圍內(nèi),支架相對于頂梁前端的頂板有向前運動的趨勢,也就是支架向煤壁運動,頂板對支架的摩擦力指向采空區(qū),使頂梁前端的頂板始終處于良好的擠壓狀態(tài)。

頂梁質(zhì)心高度隨時間變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出,支架的升降高度為1 100～2 100 mm,這與設(shè)計要求完全一致,滿足井下工作的需要。

▲圖4 頂梁質(zhì)心高度隨時間變化曲線

頂梁質(zhì)心水平偏移量隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出,頂梁質(zhì)心的最大水平偏移量為69 mm,最小水平偏移量為0 mm,滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的偏移量±100 mm以內(nèi)的要求,證明支架具有良好的工作穩(wěn)定性。

▲圖5 頂梁質(zhì)心水平偏移量隨時間變化曲線

4 動力學(xué)仿真研究

試驗裝置有外加載試驗臺和內(nèi)加載試驗臺兩種,筆者進(jìn)行支頂掩護(hù)式液壓支架動力學(xué)仿真研究時采用外加載試驗臺。墊塊距兩端距離為50 mm,墊塊寬度為150 mm。選取頂梁兩端加載的形式,如圖6所示。在Adams軟件中對墊塊進(jìn)行加載,仿真過程中,為防止支架結(jié)構(gòu)件與墊塊由于擠壓而相互滲入,設(shè)置滲透深度為0.01 mm。

▲圖6 頂梁兩端加載形式

對墊塊與頂板采用固定約束,側(cè)護(hù)板與對應(yīng)的頂梁或掩護(hù)梁采用固定約束。

右前連桿與底座鉸鏈處所受合力隨時間變化曲線如圖7所示,支頂掩護(hù)式液壓支架處于壓架狀態(tài)。由圖7可以看出,由于頂梁與墊塊相互接觸,迫使支頂掩護(hù)式液壓支架突然停止運動,進(jìn)而引起右前連桿與底座鉸鏈處合力突然增大。由于結(jié)構(gòu)阻尼的影響,隨著時間的變化,右前連桿與底座鉸鏈處合力出現(xiàn)抖動變化,最后趨于穩(wěn)定。

▲圖7 右前連桿與底座鉸鏈處所受合力隨時間變化曲線

5 結(jié)束語

應(yīng)用Creo 4.0三維軟件建立支頂掩護(hù)式液壓支架的三維實體模型,并應(yīng)用ADAMS軟件結(jié)合實際情況建立數(shù)字化樣機模型,對支頂掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行運動學(xué)仿真,結(jié)果表明所建立的仿真模型是合理的。對支頂掩護(hù)式液壓支架進(jìn)行仿真研究,得到右前連桿與底座鉸鏈處合力隨時間變化曲線,為改善支頂掩護(hù)式液壓支架關(guān)鍵零部件的設(shè)計和后續(xù)有限元分析打下了基礎(chǔ),對其它型號液壓支架的仿真研究也具有一定參考價值。