基于SolidWorks的液压支架简化建模方法研究

2015-01-27陈雪婷郑晓雯

机电产品开发与创新 2015年6期

陈雪婷，郑晓雯，陈超

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引言

计算机仿真已成为极为重要的科研手段，采用三维软件对液压支架进行建模、仿真及分析成为支架设计发展的必然趋势。SolidWorks 软件具有强大的可视化建模功能，将支架每个部件结构和每层装配关系都清晰、直观地显示出来,从视觉上带给人们更感性的认识[1]。本文所研究的ZY6000/25/50 型两柱掩护式液压支架主要由顶梁、掩护梁、底座、前后连杆、立柱和千斤顶等部分组成。由于液压支架模型本身复杂庞大，导入到有限元分析软件中会耗费大量的计算机内存，甚至由于内存有限导致有限元分析工作无法完成，因此为了节省计算资源，提高分析效率，需要对液压支架模型进行合理的简化。

1 液压支架的三维建模

建立液压支架各零部件三维模型前，详细地分析各零部件的结构，将复杂的零部件分解为若干个简单的零部件，并分析各个零部件的形状、位置及相互关系。对液压支架整机的建模一般采用自下向上的方法, 即先依据各零部件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。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[2]。

1.1 顶梁的简化建模

顶梁的三维模型如图1 所示。液压支架顶梁由顶板、主筋、盖板、筋板、柱帽等组成，建模时对其进行简化，忽略对受力影响很小的倒角、小孔等。顶板由几块钢板焊接而成，为方便后续有限元分析，忽略具体结构，将其视为一块钢板建模[3]。

1.2 掩护梁的简化建模

图1 顶梁的三维模型Fig.1 3D model of canopy

图2 掩护梁的三维模型Fig.2 3D model of caving shield

掩护梁是连接顶梁和四连杆机构的重要部件，对其进行适当简化之后建立的三维模型如图2所示。

1.3 底座的建模

底座由过桥、柱窝、筋板和底板组成，它的结构也比较对称，可以用镜像的功能节省建模时间。底座的三维模型如图3 所示。

图3 底座的三维模型Fig.3 3D model of the base

1.4 前后连杆的建模

前后连杆的结构相对简单，也是对称结构，故可充分利用镜像节省建模时间。它们的三维模型如图4 所示。

图4 前后连杆的三维模型Fig.4 3D model of front and back link

1.5 立柱外缸、中缸、小柱及平衡千斤顶的建模

立柱和千斤顶的结构也比较简单，可以通过旋转命令生成模型，相比拉伸更简单快捷，生成的文件体积也比较小。由于立柱和千斤顶的建模采用简化画法，故要认真计算配合尺寸。

2 建模技巧及需注意的问题

结合液压支架建模的实践，提出以下几点建模技巧及需注意的问题：

（1）选择对部件建模。如把顶梁部件建成一个整体，代替之前把每个零件都画出来再装配的建模方法，这样有利于进行后续的有限元分析。因此要更加明确部件的各个结构之间的位置关系。

（2）液压支架零部件大多是由多块钢板焊接而成，焊接后焊缝的强度与母材非常接近，为提高建模和分析效率，忽略焊缝。

（3）选好合适的基准面。由于简化时按部件建模，选择好合适的基准面有助于镜像的使用和支架装配。

（4）熟练使用镜像、转换实体引用命令。由于很多部件结构对称，使用镜像可大大提高建模效率，而转换实体引用可方便、准确、快速的获取已建好的实体特征的点线面。

（5）合理规划建模顺序。认真识读二维图纸，规划好建模顺序，有助于建模时思路清晰，不易出错。例如，首先分析顶梁的具体结构，先主后次依次建立构件，了解底板具体结构和尺寸，然后以底板为基准，测量主筋板的尺寸以及在底板上的具体位置，最后画各主筋之间的隔板以及盖板等。

（6）镜像出现多余实体。由于建模时多次用到拉伸命令，对于使用成形到实体、成形到下一面或成形到一面命令，有时镜像之后出现多余实体，如与要镜像的实体之间形成连续实体。此时可以将拉伸生成方式改为给定深度，这样生成方式比较明确，软件可以准确识别，镜像时不易出现多余实体。

（7）无法生成特征，此命令将导致厚度为零的几何体。出现这种错误提醒时，可以添加或移动足够的实体材质到零厚度几何体的区域，以正确连接边线和顶点。或者可以在拉伸Property Manager 中，清除方向中的合并结果，这样会生成多实体零件。

（8）使用剖视图。点击剖视按钮之后，用鼠标拉动箭头可以查看到各个截面的剖视图，方便我们选取被实体遮住不易选择的点线面，同时还可以利用剖视图检查已建好的实体是否正确。

3 液压支架的装配

在SolidWorks 中对建好的部件进行装配，装配流程：插入零部件→配合→选择要配合的点、线、面→确定。配合过程中可能出现操作过定义，导致出错，无法继续装配。经过多次尝试，总结出以下几点经验。

（1）底座的装配。最先插入的零部件，SolidWorks 会将其默认为固定，在此选择最先插入底座将其设为固定。由于立柱与底座、顶梁之间通过球面配合，如果最后添加容易出现过定义的错误提醒，所以要选择合适的插入零部件的顺序。可以按照底座→立柱外缸→中缸→小柱→顶梁→掩护梁→后连杆→前连杆→千斤顶的顺序进行装配。

（2）立柱的装配。立柱的外缸与底座之间通过两个球面配合，而SolidWorks 2014 之前的版本没有球面配合命令，较低版本可以通过建立基准轴和同轴心的方式配合。立柱的中缸与外缸之间除了同轴心之外，还应采用距离配合，在配合中选择高级配合，之后选择距离，输入距离的最大值和最小值即可完成行程的设置。小柱与中缸的配合与此类似。小柱与顶梁的配合同外缸与底座的配合类似。

（3）顶梁的装配。顶梁除了与立柱小柱之间的球面配合，还要设置装配高度。根据GB25974-2010《煤矿用液压支架通用技术条件》规定，顶梁偏载试验时，支架高度为支架最低高度加300mm；其余项目试验时，支架高度为支架最大高度减去支架行程1/3[4]。ZY6000/25/50 型液压支架的最大高度为5000mm，行程为2500mm，暂设按其余工况加载，故支架装配高度为4167mm，即顶梁的上顶板距离底座下底板高度应设为4167mm。

（4）掩护梁的装配。掩护梁与顶梁铰接，配合方式选择同轴心并保持两构件之间有5mm 的间隙。

（5）后连杆、前连杆、千斤顶与顶梁、掩护梁、底座之间的配合，均采用铰接，配合时选择同轴心并保持两构件之间有5mm 的间隙。

（6）立柱共两个，先装配好一个立柱，另一个采用镜像的方式生成，否则会出现过定义错误提示。前连杆也可采用此方法。

（7）熟练使用隐藏和显示零部件。装配时，有些零部件被遮蔽不容易选取，这时可以将零件隐藏以方便我们选取被遮挡的零部件。

另外，建立好液压支架三维模型后，还要进行干涉检查，以确保零件装配时没有相互“嵌入”。如果出现干涉，需调整相互干涉零部件的配合和尺寸等，使运动仿真能够顺利进行[1]。装配好的液压支架如图5 所示。

图5 液压支架的装配模型Fig.5 Assembly model of hydraulic support

4 SolidWorks 中的运动仿真

通过运动仿真模拟液压支架升柱过程，使得支架的装配关系更直观地展现。立柱工作原理示意图如图6 所示。进入A 口的液压油首先作用于立柱外缸的活塞面上，在未打开底阀的情况下立柱中缸首先升起。中缸升至极限位置后，外缸活塞腔内的液体压力增高，打开底阀（单向阀）使液压油进入中缸的活塞腔，使得小柱升起支撑顶板[1]。利用SolidWorks 软件自带的Solidworks Motion 插件新建运动算例，分别对中缸、小柱添加4 个线性马达，在“运动”中选择“线段”，结合立柱升高的高度依次设置时间和位移值。线性马达的配置如表1 和表2 所示。液压支架由最低位置开始先伸出中缸，经过12.50s 后达到外缸的限位，行程为1250 mm;然后伸出立柱小柱，经过4.15s 后达到液压支架的装配高度，行程为415.21mm[1]。