摘要：通过SolidWorks软件对支撑掩护型液压支架各部件进行三维建模，并进行组装，通过检测、分析，及时有效的发现设计的干涉、有效性等问题，并通过SolidWorks中的运动仿真模块COSMOS motion，对液压支架进行虚拟环境下的仿真。
关键词：液压支架；SolidWorks 建模；COSMOS motion仿真
引言
综合机械化采煤是煤矿技术进步的标志，是煤矿增加产量、提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。实践证明大力发展综合机械化采煤，研制和使用液压支架是十分关键的。本文通过SolidWorks软件对支撑掩护型液压支架各部件进行三维建模，并进行组装，通过检测、分析，及时有效的发现设计的干涉，有效性等问题。并通过SolidWorks中的运动仿真模块COSMOS motion，对液压支架进行虚拟环境下的仿真。通过仿真能够模拟设计产品的运动，以及在运动中的受力情况，在设计产品的时候就了解产品的动力学特性，从而为产品的有效性和合理性进行检测，也对产品的再开发提供了基础。本文通过对一种液压支架的运动仿真分析，探索了一种分析的思路和步骤，为以后的工作提供方便。
1液压支架简介及适用范围
液压支架由顶梁、掩护、梁底座、立柱、操作控制系统、推移装置等主要部分组成。液压支架在工作过程，具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站提供的高压液压油通过流入及流出几个不同的液压缸来完成的。按照液压支架在采煤工作面安装位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。目前使用的中间液压支架分为三类，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式液压支架。
（1）支撑式液压支架前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。因此底座较坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面顶板，维护工作空间。顶板岩石则在顶梁后部切断垮落。这类支架具有较大的支撑能力和良好的稳定性能，适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。（2）掩护式液压支架：掩护式液压支架有插腿式和非插腿式两种形式。其顶梁较短，对顶板的作用力均匀；结构稳定，抵抗直接顶水平运动能力强；防护性能好，调高范围大，对煤层厚度变化适应性强；但整架工作阻力小，通风阻力小，工作空间小。这类支架适用于直接顶不稳定或中等稳定的煤层。（3）支撑掩护式液压支架：支撑掩护式液压支架是在支撑是液压支架和掩护式液压支架的基础上发展起来的一种架型。它保留了支撑式支架支撑力大、切顶性能好、工作空间宽敞等优点，采用双排立柱支撑；同时又吸取掩护式支架挡矸掩护性能好，抗水平力腔结构稳定等长处。而且，采用坚实的掩护梁以及侧护板，将工作空间与采空区完全隔开；并采用前后连杆连接掩护梁和底座，组成四连杆机构，使梁端距几乎不变，防止了架前漏矸。支撑掩护式液压支架适用范围很广，可用于各种顶板条件，尤其用于中等稳定以上的顶板条件。其缺点是：结构复杂，重量大，价格较贵。不同结构形式的支撑掩护式液压支架，其主要区别是立柱的布置方式不同。
2支撑掩护式液压支架建模
（1）零件建模
在这里我们对简易支撑掩护式液压支架进行建模，对液压支架部件三维实体建模先依据各部件的结构形状和尺寸建立各部件的三维模型，然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系个进行组装，最后形成一台完整的机器。很显然，对液压支架各部件的精确建模和正确定义各部件之间的装配关系，是完成液压支架整机建模的关键。创建好液压支架的所有部件之后，开始对其进行装配。装配前，应正确分析各个部件在整机中的位置、作用，以及相关部件之间的装配关系、运动关系，以保证装配后的整机定位可靠、运动灵活、互不发生干涉。
零件建模：SolidWorks提供了基于特征的、参数化的实体建模功能，可以通过特征工具进行拉伸、旋转、抽壳、阵列、拉伸切除、扫描、扫描切除、等操作完成零件的建模。
支架各部件三维实体模型创建过程可归纳为图1所示的流程：
图1 三维建模流程
（2）液压支架的整机虚拟装配
对液压支架部件三维实体装配采用自底向上的方法，即先依据各部件的结构形状和尺寸建立各部件的三维模型，然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系个进行组装，最后形成一台完整的机器。为了实现液压支架工作过程的运动仿真，需要正确地确定各个构件之间的装配关系，通过“重合”、“平行”、“同轴心”、“重合”、“平行”、“垂直”、“距离”等配合命令配合起来，这是实现液压支架运动仿真的关键。
如下图所示图2为液压支架的三维模型装配图，图3为液压支架的爆炸图，
图2 液压支架三维模型装配图 图3 液压支架爆炸图
3液压支架运动仿真和分析
（1）液压支架运动仿真的建立
COSMOSMotion是一个虚拟原型机仿真工具，能帮助用户在设计前期判断设计是否能达到预期目标，使用用户界面的各个选项将能够使用户解决复杂的机构问题。
机构是实现运动传递和实现力的转换的机械装置。运动仿真是利用计算机模拟机构的运动学状态和动力学状态。其运动仿真由下列要素决定：
1）连接构件的机械约束；2）部件质量和惯性属性；3）外加载荷；4）驱动运动（马达、弹簧等）；5）时间。
液压支架运动仿真过程具体实施步骤：
(1)确定液压支架运动零部件与静止零部件，将液压支架底座设为静止零部件，其他的部件设置为运动零部件；
(2)生成约束，COSMOS Motion提供旋转副、球副、平移副、圆柱副、固定约束、万向节等约束副，液压支架在整机装配的过程中就将相应的约束副自动添加到模型中了，在这里我们主要用到铰连接。
(3)添加驱动，液压支架本需要液压油驱动，在这里我们通过换算在液压支架两个千斤顶上添加与液压油驱动力相同的直线马达进行驱动，这样非常简便，又能得到需要的数据在设计中非常实用。
如图4所示为液压支架起始位置，图5为液压支架最高位置。
图4 液压支架起始位置 图5 液压支架最高位置
（2）运动仿真性能分析
利用SolidWorks COSMOS Motion插件模拟液压支架进行运动真。能够很方便地得到相关零件的运动仿真图，还能够进行轨迹跟踪，进行干涉检查。
如图6所示是液压支架顶梁顶梁沿Y轴方向速度时间曲线图，图7掩护梁沿X轴速度时间曲线。
图6 顶梁沿Y轴方向速度时间曲线图
图7 掩护梁沿X轴速度时间曲线图
利用SolidWorks运动仿真模块对液压支架进行运动仿真，在一定程度上反映了液压支架真实的运动情况，而且过程比较简单方便将它应用到实际的产品上，可以在产品设计的初期阶段进行虚拟仿真，设计者可以在其中找出设计中可能存在的问题，提出相应的改进措施，通过SolidWorks COSMOS Motion插件得到的液压支架的仿真文件可以直接输出到MSC.ADAMS，添加好地约束能够直接在ADAMS中识别，从而方便的进行动力学分析。同时还可以输出为AVI等格式的动画，以便作为下一步的研究。
4结语
我们通过查阅资料，进行液压支架主要部件的三维建模，并进行三维组装。并且通过SolidWorksCOSMOS Motion插件对液压支架模型进行运动仿真与分析，在此过程中我们通过线性马达代替液压油驱动液压支架工作，这个过程在一定程度上反映了液压支架真实的运动情况，将它应用到实际的产品上，可以在产品设计的初期阶段进行虚拟仿真，设计者可以在其中找出设计中可能存在的问题，提出相应的改进措施，本文通过对液压支架模型的运动仿真分析，把原本复杂的问题简单化，探索了一种分析的思路和步骤，为以后的工作提供方便。
参考文献
[1]丁绍南.液压支架设计[M].北京：阜新矿院，1985.4
[2]武保民,杨玲.基于SolidWorks的液压支架模型运动仿真与分析[J].煤矿机械,2012,04:72-73.
论文作者:鞠志勇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/29
标签：支架论文; 液压论文; 掩护论文; 建模论文; 顶梁论文; 顶板论文; 液压油论文; 《基层建设》2019年第11期论文;