基于SolidWorks的液壓支架參數(shù)化模塊化設計

張學東，王傳齊，姬慶濤

（兗礦東華重工有限公司，山東 鄒城 273500）

0 引言

液壓支架用戶需求的多樣性和個性化催生了制造業(yè)“大規(guī)模定制”生產(chǎn)方式，即以大規(guī)模生產(chǎn)的速度和成本來實現(xiàn)“多品種、小批量”的生產(chǎn)方式，以滿足用戶多樣性、個性化的需求。沒有參數(shù)化模塊化，就沒有大規(guī)模、高效率的定制生產(chǎn)方式，只有運用“參數(shù)化模塊化”的原理，才能達到“多品種、小批量”生產(chǎn)的目的。因此，推行“液壓支架參數(shù)化模塊化設計”既能提高研發(fā)、制造的質量和效率，又能降低生產(chǎn)成本并提升企業(yè)核心競爭力。

液壓支架的模塊化參數(shù)化設計的主要目的是：通過液壓支架結構的分解和組合，采用模塊化結構結合參數(shù)化驅動的形式實現(xiàn)同類產(chǎn)品的快速變形設計，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、快速適應用戶多樣性需求。液壓支架的研發(fā)效率取決于以下方面：液壓支架結構分解和組合的技巧及運用水平，對哪些部分采用參數(shù)化驅動來實現(xiàn)快速變形設計，如何規(guī)劃標準化（系列化）的模塊以實現(xiàn)較高通用性等。而液壓支架產(chǎn)品參數(shù)化模塊化的快速研發(fā)離不開三維設計軟件技術的大面積推廣，本文將結合三維設計軟件的參數(shù)化功能來討論。

目前比較有代表性、應用廣泛的三維設計軟件有CreO、UG、CATIA、SolidWorks、I-DEAS等。其中，基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)SolidWorks是基于特征的參數(shù)化造型技術和變量化造型技術的三維實體造型系統(tǒng)，具有杰出的機械裝配設計和制圖性能，可實現(xiàn)整個產(chǎn)品設計百分之百可編輯，零件設計、裝配設計和工程圖之間全相關。本文介紹一個用SolidWorks軟件實現(xiàn)液壓支架的參數(shù)化模塊化設計的實例，基于其他三維軟件的整體架構思想與此類似。

1 參數(shù)化模塊化原則

液壓支架三維實體模型的建立普遍采用“Top-Down”（即自頂向下）的設計方法。Top-Down的設計方法符合產(chǎn)品的研發(fā)流程，可以完全融入到產(chǎn)品的研發(fā)過程。另外，Top-Down設計方法的設計效率及參數(shù)化程度都很高，設計變更能自動傳遞到相關聯(lián)的零部件，維持設計的一致性[1]。

液壓支架參數(shù)化模塊化設計必須從液壓支架系統(tǒng)的整體出發(fā)，對液壓支架功能、性能等方面的問題進行全面綜合分析（如圖1），合理確定模塊的劃分和參數(shù)的驅動形式[2]。

圖1 液壓支架參數(shù)化模塊化設計的分析過程

液壓支架參數(shù)化模塊化設計主要采用如下2種方式：1）參數(shù)化模塊。液壓支架主參數(shù)不同，其結構形式和尺寸也不同，其中的關聯(lián)關系比較復雜。若把與主體結構參數(shù)有關的零部件均設計成通用模塊，將造成部件強度的欠缺或冗余，影響功能發(fā)揮或造成結構龐大、材料浪費。將主體結構采用參數(shù)化模塊，在同一類型中，對于不同規(guī)格的基本型液壓支架，按照不同的立柱缸徑系列（或工作阻力系列）劃分合理的區(qū)段并進行參數(shù)化模塊的布局，通過調整關鍵驅動參數(shù)來快速實現(xiàn)變形，以擴大其適用范圍。2）通用模塊。不改變液壓支架主參數(shù)，利用通用模塊拓展液壓支架，在基本型液壓支架上更換或添加模塊（或模塊局部變形設計）形成新的變形品種（如整體頂梁變鉸接頂梁、長推桿變鉸接式推桿等）。將與主體結構參數(shù)相關性不強的輔助結構采用這種方式進行布局，可在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)其通用性。

2 總體布局的參數(shù)化

液壓支架的總體參數(shù)隨工作阻力、高度、寬度和配套設備的變化而變化，結合整機外部接口和零部件形狀及接口的參數(shù)分析，通過參數(shù)化的模式對支架總體布局進行驅動布置，按照不同模塊類型分層次、階梯推進的方式實現(xiàn)參數(shù)化模塊的驅動及通用模塊的參數(shù)化裝配。

首先，對參數(shù)驅動的影響因素進行分析，確定參數(shù)驅動的實現(xiàn)形式和層級關系[3]。一般情況下，外部配套設備的參數(shù)主要影響支架長度方向的尺寸和整體布置，這些均可以通過支架相應模塊的調整實現(xiàn)（如頂梁底座長度、立柱鉸點位置等）。對于支架總體的布局來說，工作阻力的大小是關鍵影響參數(shù)，工作阻力與立柱規(guī)格直接相關，一旦工作阻力變化且要求立柱規(guī)格進行調整時，將會直接導致支架主體結構的斷面形式、部件接口等相關的幾乎所有參數(shù)發(fā)生變化（支架高度范圍和總寬可能例外）。因此，在液壓支架參數(shù)化總體布局時假定支架的工作阻力不會超范圍變化（即立柱規(guī)格確定），跨規(guī)格的支架采用基本型支架系列化的形式來實現(xiàn)。

在SolidWorks軟件中構建液壓支架的參數(shù)化主體框架（以掩護式液壓支架為例，支撐掩護式和放頂煤支架的實現(xiàn)方式與此類似），如圖2所示。

圖2 液壓支架的參數(shù)化主體框架

支架的總體布局可以實現(xiàn)參數(shù)化驅動，各種主體結構件如頂梁、掩護梁、前連桿、后連桿、底座的關鍵參數(shù)，各結構件間連接及立柱、平衡千斤頂?shù)你q點位置、連接尺寸等均可實現(xiàn)參數(shù)化的驅動[4]?？深A先定義各部件的裝配基準面，以快速實現(xiàn)通用模塊的裝配替換。

3 部件類型的模塊化

模塊既要有獨立性，又要有通用性，即選取的模塊要具有相對獨立、可重復使用的結構，進行單獨的設計規(guī)劃；可通用的結構才有模塊化價值，模塊接口結構、參數(shù)標準化才容易實現(xiàn)模塊間的互換，才能讓不同模塊方便組合使用。這有利于實現(xiàn)在不同場景、不同環(huán)境下有相同需求的功能模塊通用，也可以將相同需求的模塊在不同產(chǎn)品中使用。

功能相同的部件結構近似或相同，可以考慮采用模塊化的形式進行規(guī)劃，根據(jù)具體的功能分為通用模塊系列和參數(shù)化模塊，如圖3所示。

圖3 液壓支架參數(shù)化模塊化系統(tǒng)架構

1）通用模塊系列。固化全部內(nèi)部結構，只保留有限接口系列（或參數(shù)驅動的接口類型），方便組裝時選配或快速變形設計。液壓支架上可以作為通用模塊系列的零部件主要有連接頭、銷軸及其連接件、立柱固定連接件、液壓連接件、各類常用油缸、前梁（含伸縮梁、護幫）、尾梁（含插板）、抬底機構、拉后溜機構、側推機構等。

2）參數(shù)化模塊。除局部的標準化零件（或結構）直接調用外，整個模塊內(nèi)部結構采用全參數(shù)驅動的方式建立，形成標準化（內(nèi)部參數(shù)可微調）的內(nèi)部結構模塊形式，利用關鍵參數(shù)控制整個模塊的外部接口。內(nèi)部結構一般隨外部關鍵接口參數(shù)的調整而變化，能根據(jù)需要快速實現(xiàn)變形設計。液壓支架上可以作為參數(shù)化模塊的部件有立柱、頂梁及其側護板、掩護梁及其側護板、連桿、底座及推移機構等。

一般情況下，為控制模塊的無限制擴展，上述模塊確定之后，液壓支架的研發(fā)除按技術要求進行相應的關鍵驅動參數(shù)調整之外，所有定型的模塊不允許進行其它變動。如有建立新模塊的需求，應經(jīng)過嚴格的審批程序，在確有必要的前提下才可能被允許。當然，雖然規(guī)劃了上述2類模塊，并在規(guī)劃之初盡可能多地拓展了其適用范圍，仍有可能出現(xiàn)某些特殊需求無法通過上述模塊間的搭配組合來滿足的情況，需調整現(xiàn)有通用模塊或創(chuàng)建新的模塊來實現(xiàn)，因此上述的所有模塊建立之時亦應配套建立對應的參數(shù)化模型，以方便后續(xù)的拓展和變形。

4 部件模塊的參數(shù)化

如上所述，由于液壓支架為高度定制化的產(chǎn)品，雖類型相近，但各主要部件的變形設計要求也比較突出，針對不同的功能模塊，固化接口形式，通過控制關鍵參數(shù)的方式實現(xiàn)部件模塊的快速變形設計。

部件模塊的參數(shù)化就是：依照總體布局設定的接口尺寸，結合提取各部件間接口的關鍵驅動參數(shù)進行參數(shù)化模塊的搭建過程。某型液壓支架主體結構的參數(shù)化驅動草圖如圖4所示，基于此驅動草圖建立的液壓支架主體結構模型如圖5所示。

圖4 液壓支架主體結構的參數(shù)化驅動草圖

圖5 液壓支架主體結構模型

5 液壓缸的模塊化參數(shù)化

液壓缸是液壓支架的重要組成部分，通過液壓缸的伸出和縮回來實現(xiàn)液壓支架的各種動作，維護采煤工作面安全，其結構形式與結構件完全不同，自成體系，液壓缸的模塊化參數(shù)化程度直接影響著整個液壓支架的整體布局。

液壓支架用液壓缸主要分為立柱和其他液壓缸兩大類型，其他液壓缸根據(jù)其使用的具體位置不同又可分為推移油缸、平衡油缸、側推油缸、伸縮油缸等十余種，但這些液壓缸的基本工作原理和構成相似，一般都是由缸體、活塞和活塞桿、導向套、密封裝置等組成。液壓缸的模塊化和參數(shù)化即按照不同類型液壓缸的相似形原理進行歸類并建構系列產(chǎn)品的基本模型，將基本模型的設計關鍵參數(shù)歸納為驅動變量，根據(jù)常用液壓缸類型和缸徑系列，固化各類液壓缸兩端的結構形式和接口尺寸（如缸底、活塞桿、通液口徑等），在圖形拓撲關系不變的情況下控制組件的幾何尺寸，通過調整缸筒和活塞桿長度驅動參數(shù)的方式實現(xiàn)液壓缸模型的參數(shù)化變形設計。

液壓支架用液壓缸規(guī)格是高度系列化的，其各組成部分的結構形式和尺寸也相對固定，因此對除缸筒長度和活塞桿長度之外的其他設計參數(shù)設置成系列化通用模塊，其設計關鍵參數(shù)既要反映出產(chǎn)品的性能和用戶的要求，也能夠控制組件的基本結構，如活塞和導向套設計主參數(shù)是其外徑、孔徑及寬度等。組件的設計主參數(shù)之間具有幾何或尺寸約束關系，如活塞的外徑與缸筒的內(nèi)徑，活塞、導向套的孔徑與活塞桿徑有函數(shù)關系，通液管長度與缸筒長度有關系，活塞寬度與密封結構、支撐結構及與活塞桿的聯(lián)接方式有函數(shù)關系等。在模塊化參數(shù)化布置時將與主參數(shù)對應或函數(shù)關系的結構尺寸定為參考變量，而結構尺寸不隨主參數(shù)變化的則定為常量尺寸。這樣把同類同型號液壓缸做成一種模塊化參數(shù)化基礎模型，如圖6所示，調用時只需根據(jù)液壓支架的需求調整缸筒和活塞桿長度（圖中尺寸S）即可，從而實現(xiàn)液壓缸的快速變形設計。

圖6 液壓缸模塊化參數(shù)化實例

6 快速變形設計及整架實現(xiàn)

經(jīng)過上述規(guī)劃，建立基礎液壓支架的模型后，通過改變關鍵驅動參數(shù)，可實現(xiàn)液壓支架的快速變形設計。經(jīng)實測，整個液壓支架三維模型的更新調整可在一個工作日以內(nèi)完成，如圖7所示。

圖7 液壓支架變形設計實例

除支架主體結構件外的其它零部件的獨立性較強，作為通用模塊（或獨立的參數(shù)化模塊）分別進行規(guī)劃和建模，再裝配到支架主體結構上，形成完整的支架系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 參數(shù)化模塊+通用模塊裝配完成后整架效果

圖18 工況四計算分析（改變約束后）

7 結語

液壓支架的定制化程度較高，利用三維設計軟件（如本文中的SolidWorks）的參數(shù)化設計結合產(chǎn)品自身的模塊化搭建，可以大幅度提高綜采液壓支架的設計效率，縮短設計周期，更好地適應定制化的需求。同時，也更有利于發(fā)揮研發(fā)人員的技術創(chuàng)新能力，直觀地進行新結構的模擬驗證，從而降低設計風險，提高設計質量，間接減少了制造過程中的返工和返修，提高了液壓支架的制造質量。液壓支架的三維模型還可以給后續(xù)的有限元分析提供方便，提升支架產(chǎn)品的安全性和可靠性。

當然，液壓支架的可驅動參數(shù)（即設計輸入）龐雜，在規(guī)劃液壓支架參數(shù)化模塊化設計之時，就應做好取舍，抓住關鍵驅動參數(shù)（如本文中提到的假定支架的工作阻力不跨立柱規(guī)格變化），優(yōu)化配置各類參數(shù)的傳遞關系，才能更好地完成液壓支架參數(shù)化模塊化設計的目的，實現(xiàn)液壓支架研發(fā)更智能、更高效的目標。