液压支架在Solidworks平台上的运动仿真分析

王玉山，史文萍

1.山西阳泉煤业集团机械制造局，山西阳泉 045000

2.山西阳泉煤业集团华越机械有限公司，山西阳泉 045000

1 建立液压支架的三维模型

三维模型设计在机械设计领域已经慢慢的普遍开来，但是大多数还仅仅停留于表面的机械结构的设计，并不能充分的利用三维设计软件的作用。Solidworks 是一款强大的机械行业三维模型设计软件，不仅具有强大的三维建模、曲面设计、管道布置、虚拟装配、产品分析功能，还能够对设计的产品进行动力学仿真和有限元受力分析，大大的提高了设计的可能性。Solidworks 软件中的COSMOS motion 模块能够十分准确的进行动力学仿真，能够在实际生产之前就达到产品的运动情况。

液压支架液压支架是煤矿综合机械化开采的重要装备,在井下采煤工作面能够有效地支撑和控制工作面顶板，保证工人、机器的安全工作空间。液压支架的主要是由顶梁、底座、掩护梁、前后连杆、立柱以及各个千斤顶等组成。本文研究的液压支架型号是ZF15000/28/52 型放顶煤液压支架，分别对液压支架的各个部分进行1：1 建模之后三维模型如图1 所示。

本文中的模型建模过程采用的是较为普遍的bottom-up 建模顺序，思路明确，条理清晰。建模的操作非本文重点，不再赘述。

图1

2 对模型进行优化

对于一个庞大的系统，如果对其所有的部分全都应用仿真分析，是十分不明智的。这样不仅浪费了运算的时间和空间，而且一些次要微小的方面对仿真的结果也是一个很大的干扰。所以说，在仿真之前要对模型进行优化。

在solidworks 的COSMOS motion 分析模块中，对一个装配体的零件间的约束有两种形式，一中是装配约束，既在转配成虚拟装配体时就已经建立的约束，这种约束属于刚体约束，不会随着运动的变化而变化。所以这种约束在运动仿真过程中不需要很大的计算量，另外一种约束是在仿真过程中建立的接触关系的约束，这种约束存在于零件间的接触面上，在接触面上也会产生相互的作用力，软件会在任意时刻根据运动情况计算随时更新作用力，可见这种约束，需要十分庞大的计算量。

所谓的对运动模型的优化就是抽取模型中我们最关心，最主要的运动，并且对这种运动的载体施加第二种约束，而对于比较次要的运动施加装配约束。

在本文研究的模型中，我们关心的在四连杆的带动之下，支架在受力时的运动情况。所以四连之间的相对转动就是次要的运动，没必要浪费计算量，对其施加装配约束。而整个模型在受力之下的运动情况是我们关心的运动，所以在支架上的受力应用motion 中的接触来施加约束。

优化以后的模型能够有效地减少计算量，抓住了模型运动的主要矛盾，是以后的分析工作变得条理清晰，有效率。

3 模型的分析

通过对液压支架的机械结构进行分析可以知道，在液压支架中，对运动起到最关键作用的就是四连杆机构。连杆机构决定了液压支架所有的承重部件的运动轨迹，支架连杆和掩护梁的受力情况，关系到整个支架模型的轮廓尺寸，影响着支架的稳定性，重量和成本。所以，在本文中主要的分析对象时液压支架中的四连杆机构。

根据上述优化方法，对分析对象进行抽离，抽离之后，对模型进行简化，忽略模型中对运动无贡献的组件，得到简化模型如图2 所示。根据简化的模型和液压支架实际工作过程中的受力情况得到简化的受力分析示意图，如图3。

图2

图3

其中液压支架对外的支撑力在撑起过程中由于收到的外力不同，将撑起的过程分为四个阶段。

1）初撑阶段。在该阶段千斤顶的立柱缓缓上升到达预设的初撑力；

2）增阻阶段。在该阶段支架达到初撑力后，随着顶板的缓慢下沉，封闭在立柱下腔的工作液体缓慢升高，立柱的推力即支架对顶板的支撑力也随之增大，直到立柱下腔压力达到安全阀动作压力为止；

3）恒阻阶段。在增阻阶段，当压力慢慢达到安全阀的动作压力时，安全阀打开溢流，压力不再增加，液压支架的支撑力达到恒定；

4）降架阶段。该阶段主要是液压支架进行移驾动作时，顶梁脱离顶板，在本文中主要分析在工作过程中的动力学关系，所以不分析该过程。

其中初撑阶段，增阻阶段，恒阻阶段的压力曲线如下图4所示。

图4

其中t0 阶段是初撑阶段，t1 阶段是增阻阶段，t2 阶段是恒组阶段。这四个阶段中液压支架的支撑力有各自的特点，所以在仿真时要根据不同的阶段施加不同的载荷。

5 对模型进行运动仿真

建立起装配体之后，在solidworks 下方有“运动算例”选项卡。调出运动分析选项，看一看到运动算例中有三个选项，其中“基本运动”和“动画”是初级的，模拟运动的功能，并不能够进行在运动过程中对零部件加载载荷，也不能分析各个零部件之间的受力变化。我们这里选择motion 分析。

根据对模型优化的方法，先对模型施加以下的约束和载荷：对顶梁和顶板施加接触关系；对顶梁施加向上的外力载荷；对其他的四连杆机构施加相应的旋转，共面约束。

在本文中为描述相对关系，将支撑力设为100kN。虽然实际应用过程中的支撑力不一定是这个值，但是以此求得的相对关系是准确的。将上述的恒阻阶段的支撑力微小波动视为支撑力稳定。根据上述的模型优化原则和受力分析，用插值法在顶梁上设置驱动载荷。并且为了得到更加接近支撑力各个阶段的力，取不同时间段不同的力。具体插值如下：

0s ～1.5s：线性加载0kN ～65kN；

1.5s ～4.5s：线性加载65kN ～100kN

为了真实的模拟支撑过程，为顶梁和顶板设置接触关系。为了增加接触关系的牢固性，为顶梁和顶板的材料都设置钢，其碰撞关系式不完全刚性碰撞，刚度为100000N/mm，相互的穿透杜设为0.1mm，碰撞阻尼为50N/mm˙s。以为数据进行仿真分析，可以得到整个液压支架的运动过程。

仿真结果不仅能够直观的以动画的形式显示运动情况，而且能够对任何一个点的动力学特性以图表的形式输出，在本文中以掩护梁一定量的铰接处为例，得到掩护梁收到的顶梁对其的作用力变化图如下图所示。

在这个图中可以看到掩护梁在支架慢慢撑起的过程中有一个受力的突变，形成一个脉冲式的负载。其原因是在顶梁顶到顶板时，由于突然的运动状态的改变，导致掩护梁的受力突变，并且在图中可以发现，这种突变发生了不止一次，由此推断，在顶梁顶到顶板时，由于弹性，发生了几次非常微小的反弹。

6 结论

在本文中利用三维软件对液压支架进行了运动仿真的分析，通过轨迹跟踪，能够得到相关的曲线图以及动画演示来表达支架运动的真实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。