基于可视优化设计方法的放顶煤液压支架研究 -.pdf

煤炭工 程 2 0 1 0年第 4期 基于可视优化设计方法 的放顶煤液压 支架研 究 王悦勇 ，李景辉 ，朱庆波 ，孙 晓亮 ，李 国峰 三一重型装 备有 限公 司 支护研究院 ，辽宁 沈 阳1 1 0 0 2 7 摘要 对 可视 优 化 设计 法进行 了综 合 性研 究 ，明确 了该方 法的研 究 内涵 、研 究 内容 、研 究流 程和研 发 工具 。围绕放 顶 煤 液压 支架 的研 发 过程 ，以放 顶 煤 液压 支架 为研 究 实例 。对其 设 计计算过程、装配过程、强度分析、运动状 态及 工作过程进行 了可视优化设计研 究，说 明了可 视优化设计方法在 支架设计研 究方面的作用，为液压支架的设计提供 了技术基础 。 关键词 液 压 支架 ；可视 化 ；优 化设 计 ；综合设计 法 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 1 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 4 - 0 0 9 0 - 0 4 Re s e a r c h f o r De s i g n o f To p c o a l Hy dr a u l i c Su pp o r t Ba s e d o n Vi s u a l i z e d Op t i mi z a t i o n De s i g n WA N G Y u e y o n g ，L I J i n g h u i ，Z H U Q i n g b o ，S U N X i a o l i a n g ，L I G u o f e n g S u p p o r t i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，S a n y H e a v y E q u i p me n t C o ． ，L t d ． ，S h e n y a n g 1 1 0 0 2 7 Ab s t c t B a s e d o n t h e a c h i e v e m e n t s o f e a r l y w o r k s ，t h e v i s u a l i z e d o p t i m i z a t i o n d e s i g n V O D m e t h o d ，t o g e t h e r w i t h r e l e v a n t r e s e a r c h s i g n i fi e a n e e s ，o b j e c t i v e s ，r e s e a r c h fl o w a n d r e s e a r c h t o o l a r e s y n t h e t i c a l l y p o s t u l a t e d ．T h e T o pc o al Hy d r a u l i c S u p p o r t d e s i g n c a n b e c o mp r e h e n s i v e l y f u l f i l l e d；t a k i n g a T o p c o a l Hy d r a u l i c S u p p o r t a s e x a mp l e ， t h e V0 D pr o po s e d wa s a p pl i e d t o s t u d y i n g i t s d e s i g n i n g p r o c e s s， a s s e mb l i n g p r o c e s s， a n a l y z i n g i n t e n s i t y， k i ne ma t i c s t a t e a n d wo r k i n g p r o c e s s ， a n d t h e r e s u l t s h o w e d t h e v a l i d i t y o f t h e VOD．At l a s t ， t h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s r e v e a l e d t h a t t h e VO D c a n i mp r o v e t h e d e s i g n q u a l i t y o f p r o d u c t s i n a n all r o u n d wa y ． Ke ywo r d sh y dr a ul i c s u pp o rt；v i s u a l de s i g n； o pt i mi z a t i o n de s i g n； s y n t h e t i c de s i g n 本文将对 可视优化 设计方 法进行 综合性 研究 ，通过 总 结与归纳 ，确定 可视 优化 设计 法 的理 论框架 和应 用 方法 ， 以 Z F 4 8 0 0 ／ 1 7 ／ 2 8放顶煤液 压支 架 为例 ，进行 了实例 研 究。 实践表明，可视优化设计方法对于提高此产品的设计质量 具有重要意义 。 1 可视优化设计法的内涵 东北大学闻邦椿教授在多年从事机械设计工作和机械 设计方法研究的基 础上 ，提 出面 向产 品广义 质量 的综 合设 计理论与 方法 J 。可 视优 化设计 方 法是 其重 要组 成部 分 ， 可提高产品的设计质量。 1 ． 1 可视优化 设计 法的 定 义 可视优化设计它是 以 “ 可视” 为手段 ，以预测产 品各 方面性能 ，进而获得 “ 最优 ”产 品质量为设 计 目标 的一种 方法 。其是在可视 的操作 环境 中 ，通过采用 建模仿 真 、控 制系统及智能优化分析等技术，对整个产品的各种性能进 行仿真，达到优化产品性能、提高产品设计质量的目的 。 可视优化设计法具有可视性 、预测性 和优化性 的特点。 1 ． 2可视 优 化设计 法具体 研 究 内容 对机械产 品进行 可视 化优化设 计 ，通常包 括 以下 6个 方 面 ，即加工制 造过程 可视化 、装 配过程 可视化 、运 动学 状态可视化 、动 力学状 态可视 化、工 作过程可 视化 和控制 过程可视化 。整个理论框图如图 1 所示 。 在设计过程 中采用各种先进的可视 化 C A D技术 和三维 造型技术 ，将机械设备 的结 构及 外形特征 形象地 表现 出 来 。在设计 阶段 通过 对虚拟 样机 的分 析、评价 和修改 ，保 证机械产品具有 优 良的性能 ，从而 可取消 或缩短样 机 的实 物制造 、检测和修改定型 的过程 ，缩短产品开发周期 。 2可视优 化设计 法 的流程 对机械产品进 行可视 优化设计 ，通常要 经过 以下 四个 步骤，即创建模型、可视化仿真、结果分析、缺陷修改， 整个流程如图 2所示 。 1 创建模 型。用 可视优 化设 计法 进行 机械 产 品设 计 收稿 日期 2 0 0 91 1 1 8 作者简介王悦勇 1 9 8 1一 ，男 ，辽宁省凌源人，东北大学机械设计及理论专业硕士毕业生，现从事于煤矿支护设备 设计研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 4期 煤炭 工程 机械 可 视优 化 设计法 结构性能 运 动 形 太 检 验 运动状态模拟 l 豢 运 动 干 涉 检 验I 运动形式设计 l 化 I动力学可视化 辑I动应力动应变 毖 l 固 有 动 态 特 性 l动响应预测 动 态 特 性 优 化 工作性 能 工 作 状 况 检 验 壅 工 作 虚 拟 展 示 l 羹 藿 I蕹 整 机 性 能 考 核 l彳E 雾 I 运 行 状 奎 萼 验 l 控 制 方 案 选 优 制 策 略 优 化 工艺性能 13 J 制 造 性 检 验 加 工 过 程 可 视 化l 五蕊磊 生 撞 干 涉 检 验l麂 JJu 工 工 艺 选 优l化 口 J 装 配 性 检 验 装配效果检验 I 装 配 干 涉 检 验l 麂 装配工艺选优 l 化 图 1 可视化设计法理论框图 图 2可视优化设计方法流程图 时，第一步就要创建模型，其在整个可视化研究中起着重 要作用 ，是 可视优化设计法基础 。 2 可视化仿真。可视化模型创建完成后，就可以在计 算机 中可视 的操 作环境进 行仿 真。基本 上都包 括 图 2中所 示的三方 面内容 ，即模型验证 、数据监测和变参数试验 。 3 结果分析 。对可视化仿真 的结果进行分 析是可视优 化设计法的核心 内容之一。一般包括 结果数据的读取、 曲线的绘制、仿真动画输 出和最优方案的选择，利用本领 域知识 ，可有效完成对现有设计 的评价与优化 。 4 缺陷修改。经过对仿真结果的分析 ，一般都会发现 一 些错误 和缺陷 ，这些错 误包 括零 部件结构 的 缺陷 、运行 参数 的缺 陷和方案 的缺陷 等。实际工 作 中，也 可能改 变工 作环境比改变零部件结构更经济，此时可对工作环境进行 修改 。 可视化仿真研究是一个循环反复的过程，经过修改的 模 型还要进行可 视化 仿真试 验 ，直 到各方 面性能 都没有 问 题且主要功能参数达到最优为止。 3 可视优化设计法的研发软件 由于可视化仿真内容的多样性 ，现有软件中还没有一 种可用于全部六方面可视化仿真。现把常用的软件按其重 点应 用领域 进 行分类 ，可 分为 三维 建 模类 、工程 模 拟类 、 控制仿真类 、有 限元计 算类 ] 、软件 开发 编程类 及其他 软 件类 等。 三维建模 。创 建 实体 模 型 ，常见 软 件 有 S o l i d Wo r k s 、 P r o ／ E 、C a t i a 、U G等 。 工程模拟。模拟对象运动学、动力学特性等，常见有 A D A MS 、D A D S等。 控制 仿 真 。控 制 过 程 可 视 化研 究 ，最 常 见 的 软 件 是 Ma t l a b ／S i mu Li n k。 有 限 元 计 算。求 解 静 态 及 动 态 应 力 分 布 ，常 见 有 ANS YS、 NAS TRAN、 MARC。 软件编程。自行开发可视仿真系统，常见 V i s u a l B a s i c 、 D e l p h i 、O p e n G L等 。 其他软件 。实 际还 可 能 用 到 C A M、C A P P 、数 据 库技 术 、网络技术等 。 4可视 优化设 计 法的研 究 实例 以下将对 Z F 4 8 0 0 ／ 1 7 ／ 2 8放 顶 煤 液压 支架 可 视优 化研 究。该支架的参数如下 高度 1 7 0 o一 2 8 0 0 m m 中心距 1 5 0 0 m m 宽度 1 4 3 01 6 0 0 m m 初撑力 3 9 5 6 k N 3 1 ． 5 MP a 工作阻力4 8 0 0 k N 3 8 ． 2 MP a 4 ． 1 液压支架设计计算可视化 支 撑 掩 护 式 液 压 支 架 设 计 计 算 软 件 。程 序 系 统 用 M A T L A B软件编制，能够对各种四柱支撑掩护式液压支架 进行设计计算。可快速求解各个部件的受力、顶梁梁端距 等各种设计参数 。 此计算程序采用基于命令行的方式，能计算四柱支撑 掩护式液压 支架 的四连 杆轨迹 ，并 绘制轨 迹 曲线 ；能计算 四连杆铰接点受力和梁体截面载荷 ，能自动绘制梁体弯矩 图；界面友好，操作方便 ，运算速度快 ，既可以保证设计 的准确性 ，又可 以减轻设计人 员的劳动强度 。 4 ． 2 液压 支架装 配 可视 化研 究 此放顶煤液压支架装配可视化研究主要功能是进行可 装配性检验及向其他模块可视化提供实体模型。图3是在 P r o ／ E - s l 环境 下创 建 的 Z F 4 8 0 0 ／ 1 7 ／ 2 8放顶 煤 液 压支 架完 9】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 0年第 4期 整实体模型图 ，可进行装配可视化研究 。 图 3 Z F 4 8 0 0 ／ 1 7 ／ 2 8放顶 煤液压支架实体模型 在装配可视化研究 过程 中 ，可 自动检 测零部件 之 间的 配合和干涉情况 ，一旦发现有干涉产生或配合关 系不当， 可返回到三维零部件状态下进行修改，修改后再回到装配 体状态下，这样在出二维工程图之前就能将可能发生的错 误消除 ，既 提 高设 计 的准 确性 ，又 实现 设 计 思 想 的直 观 描述 。 4 ． 3 液压 支架强度计算可视化研究 按照中华人民共和国 M T 3 1 22 0 0 0 液压支架通用技 术条件 的规定 ，液压支架 的强度计算 主要是静力强度计 算 。利用 A N S Y S Wo r k b e n c h软件 ，通过 对所设 计 的液 压支 架在各种工况下进行 静力 分析 ，可全 面而准 确地获 得整个 支架在任意观测点处 的受 力与 变形情况 。液 压支架 结构 比 较 复杂 ，如果对液压支架 的实体结 构进行三 维有限元分 析 ，保证有足够的分析精度和准确性，势必会使单元长度 选取得很小 ，单 元数量 膨胀 ，导致 处理速 度 明显下 降。实 际上 ，为 了减少节 点数量 ，在 建模 时须对非 危险部 位 的细 节结构进行 简化 ，按起 主导作 用的 因素来建立 模型 ，不仅 是必要 的也是可行 的。简化后的模型如图 4所示 。 利用求解 的结果 可对放 顶煤液 压支架 的结构性 能做 出 科学的判断。顶梁扭转时 的应力分布如图 5所示 。 图 4液压支架有限元模型 通过对 Z F 4 8 0 0 ／ 1 7 ／ 2 8型放顶煤液压支架顶梁扭转进行 强度可视化研究，在危险截面处 ，采用优质高强钢板，优 化材料构成 ，提高 液压支 架结构 的可靠性 ；也 可 以对某些 应力较小、结构材料浪费的零部件按照实际情况进行优化 减重，从而保证液压支架设计的经济性。 92 图 5 顶梁扭转的应 力图 4 ． 4 液压 支架运动 及 工作 过程 可视化研 究 液压支架 的运动 仿真是在 成功建 立 了其装 配模 型的基 础上 ，通过定义 静止部 件 、运动部件 ，并 在各起 始运 动件 上定义驱动电机，选择连接轴和运动方向，设定运动初始 条件或参数 等一 系列操作 来实现 的。顶梁前 端运动 轨迹如 图 6所示 图 6梁端 距运 动 曲线 图 从 罔中可 以看 小液压支架 顶梁 的运动轨迹 成双纽 线形 式 ，应尽可 能使液 压 支架 的工作 高度 处在 曲线 前倾 段 内， 当液压支架下降时，顶梁向前靠近工作面，顶板对顶梁的 摩擦力方向指向采空 区，使液压支架有顺时针转 动的趋势 ， 增加了顶梁前端 的支撑能力 ，防止液 压支架 向前 倾倒 。若 机构运动结果不理想，可在标准模式下直接修改模型参数， 重复机构分析 ，以达 到机构优化的 目的。 5结论 本文在总结与可视化设计相关研究成果的基础上 ，对 可视优化设计法进行了综合性研究，分析了可视优化设计 法的理论框架 、研究 内容 、技术流程和研发 软件等 内容 。 采用此可视化设计法对 Z F 4 8 0 0 ／ 1 7 ／ 2 8放顶煤液压支架 进行设计 ，能够在设计 阶段通过 对可视化虚拟样机 进行性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 4期 煤炭 工 程 胶带输送机液压式 断带检测装置研究 张 唏，张 弋 ，李惠芳 ，方 东 ，李 宗 中国矿业大学 北京 ，北京1 0 0 0 8 3 摘要 介绍 了一种用于断带捕 捉器的液压式断带检测装置 ，改 变了以往机械式断带检测 装置在原理上的缺 陷。设计制作 了液压式断带检测 实验装置并进行 了试验 ，结果表 明，该装置 对于胶带断带检测效果明显优 于以往的检测装置。 关键词 断带检测 ；胶带输送机 ；液压 中图分类号 T D 6 8 7 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 - 0 9 5 9 2 0 1 0 0 4 - 0 0 9 3 -03 Th e s t u dy o f t h e h y dr a u l i c de t e c t i n g de v i c e f o r b e l t br o k e n o f be l t c o n v e y o r ZHANG Xi ， ZHANG Yi ， LI Hui f a n g， FFANG Do n g， LI Zo n g C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 A b s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s a k i n d o f c r i t e r i o n t o j u d g e w h e t h e r t h e b e l t i s b r o k e n ，i n v e s t i g a t e s a h y d r a u l i c d e t e c t i n g de v i c e f o r b e l tb r o k e n s e i z i ng ma c h i n e． whi c h c ha n g e s t h e fla ws o f t h e me c ha n i c a l de t e c t i ng de v i c e f o r b e l tbr o ke n i n t h e pa s t i n pr i nc i p l e ． Th e a u t ho r d e s i gn e d a n d ma d e t he e x pe r i me n t a l d e t e c t i n g a pp a r a t us for h y dr a u l i c de t e c t i n g d e v i c e f o r b e l tb r o ke n， a n d t h e e x pe rime n t s h a v e be e n d o n e ．As i t t u r ne d o u t，t h e de v i c e i s o b v i o u s l y s u p e r i o r t o p r e v i o us d e t e c t i n g d e v i c e i n t h e d e t e c t i o n e f fic i e n c y for b e l tb r o k e n． Ke y wor ds b e l tb r o k e n d e t e c t i o n；b e l t c o n v e y o r ；h y dr a ul i c 随着煤矿产 能的提 高 ，胶 带输 送机 日益成 为煤矿 运输 的关键环节 。在胶 带输送 机上运 或下 运过程 中，断带 是很 严重 的事故 。特别是在倾 角大于 1 2 。 以上的巷道 内安装 的长 距离强力胶带 输送机 ，一旦发 生断 带后果 不堪设 想 ，轻则 胶带连 同所运载 的煤全部滑落堆 积至底部 ，造成生产 停止 ， 重则胶带 、输送带架 、托辊 、煤等都被卷走 ，甚至造成人 能评价与修改 ，保证 了产 品具有 “ 先 天性优越 ” 的质量 特 性 。利用此设计 法进行新 产 品开发设 计可 以减少 或取 消物 理样机 的制造 、检测 和反 复修改 的定 型过程 ；缩 短 了产 品 开发周期 ，从而 制造 高质量 、高性 能 的产 品，提 高 了机 械设计总体水平和产 品市场竞 争力 。 参考文献 [ 1 ]L i n Y J ，F a r a h a t R C ADb a s e d v i r t u a l a s s e mb l y p r o t o t y p i n g a c a s e s t u d y [J] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，2 1 4 2 6 3～ 2 7 4 ． [ 2 ] S t e p h a n e R ．F a s t c o n t i n u o u s c o l l i s i o n d e t e c t i o n a n t i h a n d l i n g f o r d e s k t o p v i rt u a l p r o t o l y p i n g [ J ] ． V i r t u a l R e a l i t y ，2 0 0 4 ，8 1 6 3～7 0 ． [ 3 ] 闻邦椿 ，张 围忠 ，柳洪义．面 向产 品广 义质量 的综 合设计 理论 与方法[ M] ．北 京科学 出版社 ，2 0 0 6 ． [ 4] 孙伟 ，任朝晖 ，于涛 ，等．现代机械 可视优化 设计方法研 究[ J ]．东北大学学报 自然科学版，2 0 0 7，2 8 3 3 8 5 ～ 3 8 8． Ha r d e e Ed wi n，Ku a n gHu a Ch a n g ，J i a n T u e t a 1 ． A CAD b a s e d d e s i g n p a r a me t e r i z a t i o n f o r s h a p e o p t i mi z a t i o n o f e l a s t i c s o l i d s [ J] ． A d v a n c e s i n E n g i n e e r i n g S o f t w a r e ， 1 9 9 9 ，3 0 3 1 8 5～1 9 9 ． 王国强 ，等．实用工程数值模拟技术及其在 AN S Y S上的实 践 [ M] ．西安 西北工业大学出版社 ，2 0 0 2 ． 韩玉龙 ．P r o ／ E NG I N E E R Wi l d f i r e组件设计与运 动仿真专业 教程 [ K] ．北京 清华大学出版社 ，2 0 0 4 ． 马希青 ，教光 印，等．基 P r o ／ E的液 压支架三 维实体 建模 与运动仿真 [ J ] ．煤矿机械 ，2 0 0 7 ，2 8 1 7 3～ 7 5 ． 中华人 民共和 围煤炭 行业标准．M 1 2 2 0 0 0液压支架 通 用技术 条件[ S ] ．北京 煤 炭工业 出版丰 十 ，2 0 0 1 ． 宁桂峰．液压支架三维动态设计与力学仿真研究 [ D] ．北 京煤炭科学研究总院硕士学位论 文 ，2 0 0 4 ． 责任编辑章新敏 收稿 日期 2 0 1 0一 o l l 2 作者简 介 张唏 1 9 6 6一 ，男 ，河南焦作人 ，博 士 、副教授 ，现 任 中国矿业大学 北 京 机 电与信息 工程学 院副 院长 。 9 3 1 J 1] ] m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m