支顶掩护式液压支架的研究

□ 赵 北 □ 马 赶 □ 王 海 □ 林君哲 □ 杨洪朋

1.三一重型装备有限公司 沈阳 110027 2.东北大学 机械工程与自动化学院 沈阳 110819

1 研究背景

数字孪生技术作为新的数字化关键技术,已应用至与工业4.0相关的智能制造领域[1-2]。液压支架是现代化煤矿综合开采装备的关键设备之一。随着采煤层深度和厚度的增大,以及绿色节能环保理念的提出,液压支架的设计和工作要求越来越高。另一方面,传统的强度和疲劳样机试验往往只能得到少量数据,并且耗资耗时,计算机技术的发展则为大型复杂结构件的仿真提供了有效平台[3-5]。通过建立基于数字孪生技术的数字化样机,代替真实物理样机进行分析,可以指导物理样机的设计,能够进一步为细化数字化样机提供建模参考,反映环境对性能的影响。利用所建立的数字化样机进行分析,还可以测试物理样机在使用中的性能,并进行校验,将结果反馈至设计阶段[6-10]。

2 建模

在Creo 4.0软件中对Z77-3D型支顶掩护式液压支架进行参数化建模。为减小工作量,在不影响仿真结果的前提下对一些零部件进行简化处理。利用装配功能,对建模后的零件进行装配,最终获得支顶掩护式液压支架的三维模型,经过检验无干涉后转换为.parasolid格式文件,导入ADAMS软件进行动力学仿真。支顶掩护式液压支架三维模型如图1所示,主要工作机构由顶梁、掩护梁、底座、立柱、平衡千斤顶、前连杆、后连杆组成。

▲图1 支顶掩护式液压支架三维模型

支顶掩护式液压支架三维模型导入ADAMS软件后,并没有质量信息。为使操作方便,对各部件重新进行命名,并编辑材料属性。由图1可以看出,共有十个销轴用于连接各结构件。因此,需要定义十个运动副。所定义的支顶掩护式液压支架运动副见表1。

支顶掩护式液压支架机构运动简图如图2所示,按照经典机械理论来计算整个系统的自由度DOF:

DOF=3n-2pl-ph=3>0

(1)

式中:n为构件数;pl为低副数量;ph为高副数量。

表1 支顶掩护式液压支架运动副

▲图2 支顶掩护式液压支架机构运动简图

由图2可知,需要添加三个驱动,包括两个立柱驱动和一个平衡千斤顶驱动。因为立柱为两级液压油缸,所以需要添加两级液压驱动。立柱一级液压油缸的驱动函数为STEP(time,0,0,1,800),0～1 s内由0 mm运动至800 mm。立柱二级液压油缸的驱动函数为STEP(time,0,0,1,450),0～1 s内由0 mm运动至450 mm。平衡油缸的驱动函数为STEP(time,0,0,1,170),0～1 s内由0 mm运动至170 mm。运动副间的摩擦类型为库伦摩擦,动摩擦因数为0.3,静摩擦因数为0.5。

3 运动学研究

对于支顶掩护式液压支架立柱,设置仿真类型为Kinematic,结束时间为1 s,运动步数为1 000,运行仿真。顶梁的质心运动轨迹如图3所示,呈现明显的双扭线形变化,且双向摆动。

▲图3 顶梁质心运动轨迹

在支架升降的绝大部分范围内,支架相对于顶梁前端的顶板有向前运动的趋势,也就是支架向煤壁运动,顶板对支架的摩擦力指向采空区,使顶梁前端的顶板始终处于良好的挤压状态。

顶梁质心高度随时间变化曲线如图4所示。由图4可以看出,支架的升降高度为1 100～2 100 mm,这与设计要求完全一致,满足井下工作的需要。

▲图4 顶梁质心高度随时间变化曲线

顶梁质心水平偏移量随时间变化曲线如图5所示。由图5可以看出,顶梁质心的最大水平偏移量为69 mm,最小水平偏移量为0 mm,满足标准所规定的偏移量±100 mm以内的要求,证明支架具有良好的工作稳定性。

▲图5 顶梁质心水平偏移量随时间变化曲线

4 动力学仿真研究

试验装置有外加载试验台和内加载试验台两种,笔者进行支顶掩护式液压支架动力学仿真研究时采用外加载试验台。垫块距两端距离为50 mm,垫块宽度为150 mm。选取顶梁两端加载的形式,如图6所示。在Adams软件中对垫块进行加载,仿真过程中,为防止支架结构件与垫块由于挤压而相互渗入,设置渗透深度为0.01 mm。

▲图6 顶梁两端加载形式

对垫块与顶板采用固定约束,侧护板与对应的顶梁或掩护梁采用固定约束。

右前连杆与底座铰链处所受合力随时间变化曲线如图7所示,支顶掩护式液压支架处于压架状态。由图7可以看出,由于顶梁与垫块相互接触,迫使支顶掩护式液压支架突然停止运动,进而引起右前连杆与底座铰链处合力突然增大。由于结构阻尼的影响,随着时间的变化,右前连杆与底座铰链处合力出现抖动变化,最后趋于稳定。

▲图7 右前连杆与底座铰链处所受合力随时间变化曲线

5 结束语

应用Creo 4.0三维软件建立支顶掩护式液压支架的三维实体模型,并应用ADAMS软件结合实际情况建立数字化样机模型,对支顶掩护式液压支架进行运动学仿真,结果表明所建立的仿真模型是合理的。对支顶掩护式液压支架进行仿真研究,得到右前连杆与底座铰链处合力随时间变化曲线,为改善支顶掩护式液压支架关键零部件的设计和后续有限元分析打下了基础,对其它型号液压支架的仿真研究也具有一定参考价值。