基于SolidWorks和ADAMS的液压支架动力学仿真.pdf

2 0 1 6年第4期 中州煤炭 第2 4 4期 基 于 S o l i d Wo r k s 和 AD AMS的 液压 支架 动力学仿真 蔡 文书 北京华福工程有 限公 司 武汉分公 司， 湖北 武汉4 3 0 2 2 3 摘要 利用 S o l i d Wo r k s 建立液压 支架 的实体模 型 ， 将模型 导入 A D A MS中施 加约束 、 驱动及载荷 ， 建立液压支 架 的虚拟样机 ， 进 行工作过程 的动力 学仿 真。仿真得到 了液压 支架俯 仰角 、 工作 阻力、 铰接 载荷 时域变 化 曲 线， 将其 与理论计 算值 比较 ， 证 明样机模 型可行正确 ， 可为设计研发提供较为准确 可靠的依 据。 关键词 液压支架 ； 虚拟样机 ； A D A MS ； 动力学仿真 中图分 类号 T D 3 5 5 文献标志码 B 文章编 号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 6 0 4 0 0 9 9 0 4 Dy na m i c Si m ul a t i o n o f Hy dr a ul i c S up po r t Ba s e d o n So l i d W o r ks a nd ADAM S Ca i W e n s h u W u h a n B r a n c h ， B e ij i n g口 M 咖E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， Wu h a n 4 3 0 2 2 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Us i n g S o l i dWo r ks t o e s t a bl i s h t h e 3 D s o l i d mo de l o f h y dr a u l i c s u p po r t ， t he n i mpo r t e d t he mo d e l i nt o ADAMS s o f t wa r e a nd i m p o s e d c o ns t r a i n t ， dr i v e a nd l o a d， t h e v i r t ua l p r o t o t y p e mo de l o f hy d r a u l i c s u pp o r t wa s e s t a b l i s he d， a nd t he dy n a mi c s i mu l a t i o n o f wo r ki ng p r o c e s s wa s c o mpl e t e ． El e v a t i o n a ng l e， wo r k i ng r e s i s t a n c e， a r t i c u l a t e d l o a d c h a n g e c u r v e s o f hy d r a u l i c s u pp o r t we r e g o t ， a nd c o mp a r i ng t he m wi t h t h e t he o r e t i c a l c a l c u l a t i o ns ， i t c a n pr o ve t h e pr o t o t y pe mo d e l i s f e a s i b l e a nd c o r r e c t ， wh i c h c a n pr o v i d e mo r e a c c ur a t e a nd r e l i a b l e b a s i s f o r t h e de s i g n a n d d e v e l o pme nt ． K e y w o r ds hy d r a u l i c s u pp o r t ； v i r t u a l p r o t o t y p e； ADAM S； dy n a mi c s i mu l a t i o n 液 压 支架 是现 代 煤 矿 生 产 的关 键 设 备 ， 它 的 主 要作用是支护采场顶板 、 维护安全作业空间、 推移工 作 面采 煤 设备 。为 了 提 高液 压 支 架 的设 计 水 平 ， 保 证煤矿生产安全 ， 降低其成本 ， 进而提高采煤的经济 效 益 ， 世 界各 主要 产 煤 大 国一 直 在 积 极 开展 液 压 支 架 的研究 。 。 S o l i d Wo r k s 是计 算 机三 维 机械 设 计 的主 流 造 型 软件 ， 它 能够 方便 、 快 捷地 构 建复 杂精 确 的三维 实 体 机械 系统 。A D A MS软 件 是 全世 界应 用 最 广 泛 的 机 械系统动 态仿真分 析软件 ， 其利用虚 拟样机 技 术 ， 在 设 计 阶 段 可 以实 现 优 化 设 计 ； 在 工 程 应 用 阶 段 ， 针 对 实 际工作 中出现 的 问题 ， 可 以找 出问题 的 原 因进 行改 进 。 本文 利 用三 维 软件 S o l i d Wo r k s 建立 液压 支 架 的 收稿 日期 2 0 1 60 22 0 作者简介 蔡 文书 1 9 8 4 一 ， 男 ， 湖北仙桃 人 ， 工程 师， 硕士 ， 2 0 0 9年 毕业于中国矿业大学 ， 主要从事机械设计及研究工作 。 三维 实体 模 型 ， 并将 其 导 人 到 A D A M S中 ， 建 立 液 压 支架机械系统 的动力 学仿真模 型。通过动力学仿 真 ， 研究 液压 支架 工 作 过 程 中俯 仰 角 、 工作 阻力 、 铰 接 载荷 数据 ， 可 为优 化 液 压 支 架设 计 和工 程 分 析 提 供 参考 。 1 液压 支架三维实体模型 的建立 本 文 以 Z Y 3 2 0 0 ／ 1 2 ／ 2 8型 液压 支 架 为研 究 对 象 进 行分 析 ， 其技 术特 征见 表 1 。 液 压支 架 主要 由前 连杆 、 后连 杆 、 立 柱 、 掩护 梁 、 顶 梁 、 前 梁 、 各千 斤顶 等部 件组 成 。其三 维实 体造 型 包 括所 有零 部件 三维 实体 造 型和整 机虚 拟装 配 。对 液 压 支架整 机 的建 模 一 般 采 用 自下 而 上 的方 法 ， 即 先 依据 各零 部 的结 构 形 状 和 尺 寸建 立 其 三 维 模 型 ， 然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系逐个进 行 组装 ， 最 后完 成 整 机 的 虚 拟装 配 。液 压支 架 三 维 实体装配模型如图 l所示 。 9 9 2 0 1 6年第 4期 中州 煤 炭 第 2 4 4期 表 1 ZY3 2 O 0 ／ 1 2 ／ 2 8液压 支 架 技 术 特 征 项 目 数值 、 型号 最小高度／ 最大高度／ m m 中心 距 ／ mm 支护宽度 最s b ／ 最大 ／ mm 额定工作阻力 3 8 ． 9 8 MP a ／ k N 初撑力 3 1 ． 5 MP a ／ k N 支护面 积／ m 支护强度／ MP a 底板平均 比压／ MP a 泵站额定供液压力／ MP a 推溜力／ 拉架力／ k N 推移步距／ mm 操作方式 支架运输尺寸 长 宽 高 ／ I l l m I r l I n In In 配套采煤机 配套输送机 1 2 0 0 ／ 2 8 0 0 l 5 0 0 1 4 3 0 ／1 6 0 0 3 2 0 0 3 0 9 3 4． 8 8 0 ． 6 6 0． 7 3 1 ． 1 3 3 1 ． 5 2 2 3 ／ 41 O 6 0 0 本 架 4 2 401 4 3 0 1 2 0 0 MGl 3 2 ／ 3 2 0 ． WD S GZ- 6 3 0 ／ 2 6 4 ZH 图 1 液压 支 架 三维 实体 装 配 模 型 2 液压支架动力学仿真模型的建立 2 ． 1仿真驱 动 系统 的建立 A D A MS与 S o l i d Wo r k s 均 采 用 P a r a s o l i d标 准作 为实体 建模 的内核 ， 该 标 准 可 以完 整地 保 存 部 件 的 完整信息 几何外形 、 质量信息、 颜色信息 ， 通过该 标准将 S o l i d Wo r k s中液 压支架 整机 装配体 模 型导入 A D A MS ， 减少 在 A D A MS中进 行建模 和装 配 的麻 烦 。 根据 液 压 支 架 各 部 件 间 装 配 关 系 ， 在 A D A MS 中添加 相应 的运动 副 ， 如 前后连 杆 与底座 、 掩护 梁 的 旋转副 ， 立柱与顶梁柱窝的球副， 各千斤顶与缸体的 移 动副等 。液压 支 架 虚 拟样 机 一 共包 含 1 2个 旋 转 副 、 1 4个 圆柱 副 、 6个移 动 副 、 2个 固定 约 束 副 、 2个 平行约束副 、 2个球副 、 2个平面副。 液压支架在工作过程 中， 必须具备升 、 降 、 推、 移 4个基本动作 ， 这些动作是利用泵站供给的高压乳 化 液通 过工作 性质 不 同的各种 千斤 顶和立 柱来 完成 的。根 据液压 支架 的实 际工作 情况 ， 在立 柱 、 推 移千 斤 顶 、 前 梁千 斤顶 、 护 帮 千斤 顶 、 平 衡 千 斤 顶 上施 加 1 0 0 相 应 的动力 系统 ， 动力 驱 动采 用 s t e p函数进 行精 确 控制。液压支架单架工作循环时间大多小于 1 0 s ， 取 仿真 过程 为 7 ． 8 s ， 各驱 动 函数语 言 如下 1 护帮千斤顶 S T E P函数 s t e p t i me ， 0 ， 0 ， 1 ． 5 ， 0 s t e p t i me ， 1 ． 5， 0， 1 ． 8，一2 2 0s t e p t i me ， 5 ． 7， 0， 6 ． 0， 2 2 0 。 2 前梁千斤顶 S T E P函数 s t e p t i me ， 0 ， 0 ， 1 ． 2 ， 0 s t e p t i m e ， 1 ． 2 ， 0 ， 1 ． 4 ， 8 o s t e p t i me ， 6 ． 1 ， 0 ， 6 ． 3 0 ， 一 8 0 。 3 立柱外缸体驱 动 S T E P函数 s t e p t i m e ， 0 ， 0 ， 0 ． 0 5 ， 0 s t e p t i me， 0． 05， 0， 0 ． 4 5， 5 0 0s t e p t i me， 7， 0， 7． 4， 一 5 0 0 。 4 立柱中缸驱动 S T E P函数 s t e p t i m e ， 0 ， 0， 0 ． 5 5 ， 0 s t e p t i me， 0． 5 5， 0， 0． 9 5， 5 00s t e p t i me， 6． 5， 0， 6． 9， 一 5 0 0 。 5 平衡 千斤 顶 S T E P函数 s t e p t i me ， 0 ， 0 ， 0 ． 0 5 ， 0 s t e p t i me ， 0 ． 1 5， 0 ， 0 ． 4 5 ， 一8 0 s t e p t i me ， 0 ． 6 5 ， 0， 0 ． 9 5， 一 1 2 0s t e p t i me ， 1 ． 0 5， 0， 1 ． 1 5， 1 5s t e p t i me ， 6 ． 3 5， 0， 6 ． 4 5， 一1 5s t e p t i me， 6 ． 5， 0， 6 ． 8， 1 2 0s t e p t i me ， 7， 0， 7 ． 3， 8 0 。 6 推移千斤顶 S T E P函数 s t e p t i me ， 0 ， 0 ， 6 ． 6 ， 0 s t e p t i me ， 6 ． 6， 0， 6 ． 9， 6 0 0s t e p t i me， 7 ． 5， 0， 7 ． 8， 一6 0 0 。 2 ． 2 仿 真载 荷 的建立 液压支架在支顶过程中承受静载和动载 2类载 荷 。采场静 载荷 是指 支 架上 方 直接 顶 放 顶 煤 开 采 时为顶 煤加 直接顶 的重 力 和基 本 顶 回转 运 动 时迫 使 直 接顶变 形而 传递 到 支 架 上 的那 部 分 变形 压 力 。 采场 动载包 括直 接顶 冒落对 支架 的冲击 载荷 和基本 顶突然失稳 包括 回转失稳 和滑落失稳 对支架突 加载 荷部分 ” 。 液压 支 架 实 际受 载情 况 非常 复 杂 ， 由于试 验 条 件 限制 ， 对 于载荷 的计 算 机模 拟 没 能 通过 现 场 实 测 的途径进行 。本文通过软件提供的函数来模拟静载 荷和 动载荷 ， 并 将其 进 行 线 性叠 加 。 液压 支 架 受 载 主要 作用 在顶 梁上 ， 作 用位 置在 顶梁柱 窝 附近 ， 分 为 垂 直和水 平 方 向 的 载 荷 。根 据 液 压 支 架 的技 术 参 数 ， 通过 静 力 学 分 析 计 算 。 ， 可 得 顶 梁 受 集 中载 荷约 1 1 4 6 k N， 前连杆最大受力约 1 3 7 0 k N， 这两个 力将 分别 作为 仿真分 析加 载依据 及结果 分 析依据 。 参 考顶 梁 集 中载 荷 ， 对垂 直 方 向静 载 荷力 设 定 为 1 0 0 0 k N， 水 平方 向静 载荷 力 为 2 0 0 k N。顶 板 来 压 时支 架所受 的载荷与 平时支 架所 受 的载荷 的 比值 即动压系数 一般为 2 ， 有时可达 3或更大。动载 荷 用对 称循环 载荷模 拟 ， 参考动 压 系数值 ， 设定 垂直 方 向循 环载荷 幅值 为 1 0 0 0 k N， 均值 为 1 5 0 0 k N； 水 平 方 向循环 载荷 幅值 为 1 0 0 k N， 均 值为 1 0 0 k N 。液 2 0 1 6 年第4 期 中州煤炭 总第2 4 4期 俯仰角、 工作阻力 、 前连杆铰接处载荷的变化曲线如 图 7 一 图 9所示 。 2 ． 0 1 ． 5 。 1 ． O 0 ． 5 0 ． 0 - 0 ． 5 1 ． 0 0 ． 0 1 ． 0 2 ．0 3 ．0 4 ．0 5 ． 0 6 ． 0 7 ． 0 8 ．0 时间， s 5 0 4 0 暑3 0 2 0 1 O O 1 5 图 7顶 梁 俯仰 角 的 变 化 曲 线 1 0 Z 挺 5 0 时间／ s 图 8工作 阻 力 的变 化 曲线 O 图 9前 连杆 铰 接 处 载 荷 的变 化 曲线 由仿 真分 析结果 可知 ， 在整 个运 动过程 中 ， 顶 梁 与水 平 面的最 大偏差 值在 2 。 以内 ， 基 本 上 与水 平 面 平行 ， 满足液压支架实际支顶的要求 。液压支架 的 工作 阻力 平均 约为 3 0 0 0 k N， 与支 架 的工作 阻力 技 术参 数 3 2 0 0 k N相 近 。前 连 杆 铰 接 处 最 大 载 荷 值 为 1 4 5 0 k N， 与静 力学 计 算 出 的最 大 载荷 1 3 7 0 k N 也相 近 。总 的来 说 ， 液 压 支 架 的动 力 学仿 真结 果 是 可信 的。 4 结 语 本文 给 出了液压 支架 虚拟样 机建模 及 动力学 仿 真 的方法 ， 得 到了液 压 支 架俯 仰 角 、 工作 阻 力 、 铰 接 l O 2 载荷时域变化曲线， 将其与理论计算值相比较 ， 仿真 结果 在可 信范 围 内， 说 明 了虚拟样 机模 型 的准 确性 。 基 于虚拟样 机 的建模 和仿真 技术 可 以为液压 支架 强 度校 核 、 优 化设计 分析 等提 供较 为准确 可靠 的依据 。 在工 作过 程 中 ， 液 压支 架承 受顶板 来压 的随机 载荷 ， 如何 在软 件 中精 确 模 拟 该 载 荷 需 进 一 步 研 究 。另 外 ， 该 随机 载荷最 好是 通过 实测获 得 ， 使 得仿 真模 拟 更接 近实 际情况 。 参 考文献 [ 1 ] 综采技术手册 编委会． 综采 技术手册 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版 社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 戴绍诚 ， 李世文， 李芬 ， 等． 综合 机械化 采煤技术 与装备 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 。 1 9 9 8 ． [ 3 ] 吴百朋 ， 刘凯 ， 李 金梅． 基 于 C r e o的液压 支架三维建模 与运动 仿真[ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 1 3 ， 4 1 4 2 3 2 5 ． [ 4 ] 田大丰 ， 张强 ， 杨文懋． 基 于虚拟样机 的薄煤层 液压支架 的 动 力学分析与仿 真[ J ] ． 矿山机械 ， 2 0 1 0， 3 8 1 1 1 5 1 7 ． [ 5 ] 闫向彤． 液压 支架 的数 字化样 机设计 与仿 真 [ J ] ． 矿 山机械 ， 2 0 1 0， 3 8 1 7 1 0 - 1 2 ． [ 6 ] 郑建荣． A D A Ms 一虚拟样 机技术入 门与提高 [ M] ． 北 京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 7 ] 范成建 ， 熊光明 ， 周明飞． MS C ． A D A MS应用与提高 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 8 ] 李涛 ， 王瑞林 ， 吴海锋 基 于虚拟样机 的某型转 管机枪 动力学 仿真 [ J ] ． 机械设计 ， 2 0 1 3 ， 3 0 4 8 9 9 1 ． [ 9 ] 万 晓鹏 ， 沙永柏 ， 赵晓影 ． 基 于 A D AM S的钻杆夹持机械手 的动 力学仿真 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 2 ， 4 1 1 3 1 4 2 ． 1 4 3 [ 1 O ] 周会成 ， 任正军． 六轴机器人设计及动力学分析 [ J ] ． 机床与 液 压 ， 2 01 4， 4 2 9 1 I 5 ． [ 1 1 ] 王翠艳 ， 刘 英林 ， 牛卫 兵 基于虚 拟样机 的掘进 机工作 机构 的 动力学仿真[ J ] ． 机械工程与 自动化 ， 2 0 1 0 6 6 4 - 6 6 ． [ 1 2 ] 彭文 均． 基 于 AD AM S的某 舰炮 抽 筒机 构 动力 学 仿 真 分 析 [ J ] ． 船舶科学技术 ， 2 0 1 3 ， 3 5 1 2 1 4 4 ． 1 4 7 ． [ 1 3 ] 寇子明． 液压支架 动态特性分 析与检测 [ M] ． 北京 冶金工业 出版 社 ， 1 9 9 6． [ 1 4 ] 王国法． 液压支架技术 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 1 5 ] 王国法． 液压 支架技术体 系研 究与实践 [ J ] ． 煤炭学 报， 2 0 1 0 ， 3 5 1 1 1 9 0 3- 1 9 0 8． 责任 编辑 刘 欢欢