基于SolidWorks的液压支架参数化模块化设计

张学东，王传齐，姬庆涛

（兖矿东华重工有限公司，山东 邹城 273500）

0 引言

液压支架用户需求的多样性和个性化催生了制造业“大规模定制”生产方式，即以大规模生产的速度和成本来实现“多品种、小批量”的生产方式，以满足用户多样性、个性化的需求。没有参数化模块化，就没有大规模、高效率的定制生产方式，只有运用“参数化模块化”的原理，才能达到“多品种、小批量”生产的目的。因此，推行“液压支架参数化模块化设计”既能提高研发、制造的质量和效率，又能降低生产成本并提升企业核心竞争力。

液压支架的模块化参数化设计的主要目的是：通过液压支架结构的分解和组合，采用模块化结构结合参数化驱动的形式实现同类产品的快速变形设计，从而缩短产品研发周期、快速适应用户多样性需求。液压支架的研发效率取决于以下方面：液压支架结构分解和组合的技巧及运用水平，对哪些部分采用参数化驱动来实现快速变形设计，如何规划标准化（系列化）的模块以实现较高通用性等。而液压支架产品参数化模块化的快速研发离不开三维设计软件技术的大面积推广，本文将结合三维设计软件的参数化功能来讨论。

目前比较有代表性、应用广泛的三维设计软件有CreO、UG、CATIA、SolidWorks、I-DEAS等。其中，基于Windows开发的三维CAD系统SolidWorks是基于特征的参数化造型技术和变量化造型技术的三维实体造型系统，具有杰出的机械装配设计和制图性能，可实现整个产品设计百分之百可编辑，零件设计、装配设计和工程图之间全相关。本文介绍一个用SolidWorks软件实现液压支架的参数化模块化设计的实例，基于其他三维软件的整体架构思想与此类似。

1 参数化模块化原则

液压支架三维实体模型的建立普遍采用“Top-Down”（即自顶向下）的设计方法。Top-Down的设计方法符合产品的研发流程，可以完全融入到产品的研发过程。另外，Top-Down设计方法的设计效率及参数化程度都很高，设计变更能自动传递到相关联的零部件，维持设计的一致性[1]。

液压支架参数化模块化设计必须从液压支架系统的整体出发，对液压支架功能、性能等方面的问题进行全面综合分析（如图1），合理确定模块的划分和参数的驱动形式[2]。

图1 液压支架参数化模块化设计的分析过程

液压支架参数化模块化设计主要采用如下2种方式：1）参数化模块。液压支架主参数不同，其结构形式和尺寸也不同，其中的关联关系比较复杂。若把与主体结构参数有关的零部件均设计成通用模块，将造成部件强度的欠缺或冗余，影响功能发挥或造成结构庞大、材料浪费。将主体结构采用参数化模块，在同一类型中，对于不同规格的基本型液压支架，按照不同的立柱缸径系列（或工作阻力系列）划分合理的区段并进行参数化模块的布局，通过调整关键驱动参数来快速实现变形，以扩大其适用范围。2）通用模块。不改变液压支架主参数，利用通用模块拓展液压支架，在基本型液压支架上更换或添加模块（或模块局部变形设计）形成新的变形品种（如整体顶梁变铰接顶梁、长推杆变铰接式推杆等）。将与主体结构参数相关性不强的辅助结构采用这种方式进行布局，可在更大范围内实现其通用性。

2 总体布局的参数化

液压支架的总体参数随工作阻力、高度、宽度和配套设备的变化而变化，结合整机外部接口和零部件形状及接口的参数分析，通过参数化的模式对支架总体布局进行驱动布置，按照不同模块类型分层次、阶梯推进的方式实现参数化模块的驱动及通用模块的参数化装配。

首先，对参数驱动的影响因素进行分析，确定参数驱动的实现形式和层级关系[3]。一般情况下，外部配套设备的参数主要影响支架长度方向的尺寸和整体布置，这些均可以通过支架相应模块的调整实现（如顶梁底座长度、立柱铰点位置等）。对于支架总体的布局来说，工作阻力的大小是关键影响参数，工作阻力与立柱规格直接相关，一旦工作阻力变化且要求立柱规格进行调整时，将会直接导致支架主体结构的断面形式、部件接口等相关的几乎所有参数发生变化（支架高度范围和总宽可能例外）。因此，在液压支架参数化总体布局时假定支架的工作阻力不会超范围变化（即立柱规格确定），跨规格的支架采用基本型支架系列化的形式来实现。

在SolidWorks软件中构建液压支架的参数化主体框架（以掩护式液压支架为例，支撑掩护式和放顶煤支架的实现方式与此类似），如图2所示。

图2 液压支架的参数化主体框架

支架的总体布局可以实现参数化驱动，各种主体结构件如顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座的关键参数，各结构件间连接及立柱、平衡千斤顶的铰点位置、连接尺寸等均可实现参数化的驱动[4]。可预先定义各部件的装配基准面，以快速实现通用模块的装配替换。

3 部件类型的模块化

模块既要有独立性，又要有通用性，即选取的模块要具有相对独立、可重复使用的结构，进行单独的设计规划；可通用的结构才有模块化价值，模块接口结构、参数标准化才容易实现模块间的互换，才能让不同模块方便组合使用。这有利于实现在不同场景、不同环境下有相同需求的功能模块通用，也可以将相同需求的模块在不同产品中使用。

功能相同的部件结构近似或相同，可以考虑采用模块化的形式进行规划，根据具体的功能分为通用模块系列和参数化模块，如图3所示。

图3 液压支架参数化模块化系统架构

1）通用模块系列。固化全部内部结构，只保留有限接口系列（或参数驱动的接口类型），方便组装时选配或快速变形设计。液压支架上可以作为通用模块系列的零部件主要有连接头、销轴及其连接件、立柱固定连接件、液压连接件、各类常用油缸、前梁（含伸缩梁、护帮）、尾梁（含插板）、抬底机构、拉后溜机构、侧推机构等。

2）参数化模块。除局部的标准化零件（或结构）直接调用外，整个模块内部结构采用全参数驱动的方式建立，形成标准化（内部参数可微调）的内部结构模块形式，利用关键参数控制整个模块的外部接口。内部结构一般随外部关键接口参数的调整而变化，能根据需要快速实现变形设计。液压支架上可以作为参数化模块的部件有立柱、顶梁及其侧护板、掩护梁及其侧护板、连杆、底座及推移机构等。

一般情况下，为控制模块的无限制扩展，上述模块确定之后，液压支架的研发除按技术要求进行相应的关键驱动参数调整之外，所有定型的模块不允许进行其它变动。如有建立新模块的需求，应经过严格的审批程序，在确有必要的前提下才可能被允许。当然，虽然规划了上述2类模块，并在规划之初尽可能多地拓展了其适用范围，仍有可能出现某些特殊需求无法通过上述模块间的搭配组合来满足的情况，需调整现有通用模块或创建新的模块来实现，因此上述的所有模块建立之时亦应配套建立对应的参数化模型，以方便后续的拓展和变形。

4 部件模块的参数化

如上所述，由于液压支架为高度定制化的产品，虽类型相近，但各主要部件的变形设计要求也比较突出，针对不同的功能模块，固化接口形式，通过控制关键参数的方式实现部件模块的快速变形设计。

部件模块的参数化就是：依照总体布局设定的接口尺寸，结合提取各部件间接口的关键驱动参数进行参数化模块的搭建过程。某型液压支架主体结构的参数化驱动草图如图4所示，基于此驱动草图建立的液压支架主体结构模型如图5所示。

图4 液压支架主体结构的参数化驱动草图

图5 液压支架主体结构模型

5 液压缸的模块化参数化

液压缸是液压支架的重要组成部分，通过液压缸的伸出和缩回来实现液压支架的各种动作，维护采煤工作面安全，其结构形式与结构件完全不同，自成体系，液压缸的模块化参数化程度直接影响着整个液压支架的整体布局。

液压支架用液压缸主要分为立柱和其他液压缸两大类型，其他液压缸根据其使用的具体位置不同又可分为推移油缸、平衡油缸、侧推油缸、伸缩油缸等十余种，但这些液压缸的基本工作原理和构成相似，一般都是由缸体、活塞和活塞杆、导向套、密封装置等组成。液压缸的模块化和参数化即按照不同类型液压缸的相似形原理进行归类并建构系列产品的基本模型，将基本模型的设计关键参数归纳为驱动变量，根据常用液压缸类型和缸径系列，固化各类液压缸两端的结构形式和接口尺寸（如缸底、活塞杆、通液口径等），在图形拓扑关系不变的情况下控制组件的几何尺寸，通过调整缸筒和活塞杆长度驱动参数的方式实现液压缸模型的参数化变形设计。

液压支架用液压缸规格是高度系列化的，其各组成部分的结构形式和尺寸也相对固定，因此对除缸筒长度和活塞杆长度之外的其他设计参数设置成系列化通用模块，其设计关键参数既要反映出产品的性能和用户的要求，也能够控制组件的基本结构，如活塞和导向套设计主参数是其外径、孔径及宽度等。组件的设计主参数之间具有几何或尺寸约束关系，如活塞的外径与缸筒的内径，活塞、导向套的孔径与活塞杆径有函数关系，通液管长度与缸筒长度有关系，活塞宽度与密封结构、支撑结构及与活塞杆的联接方式有函数关系等。在模块化参数化布置时将与主参数对应或函数关系的结构尺寸定为参考变量，而结构尺寸不随主参数变化的则定为常量尺寸。这样把同类同型号液压缸做成一种模块化参数化基础模型，如图6所示，调用时只需根据液压支架的需求调整缸筒和活塞杆长度（图中尺寸S）即可，从而实现液压缸的快速变形设计。

图6 液压缸模块化参数化实例

6 快速变形设计及整架实现

经过上述规划，建立基础液压支架的模型后，通过改变关键驱动参数，可实现液压支架的快速变形设计。经实测，整个液压支架三维模型的更新调整可在一个工作日以内完成，如图7所示。

图7 液压支架变形设计实例

除支架主体结构件外的其它零部件的独立性较强，作为通用模块（或独立的参数化模块）分别进行规划和建模，再装配到支架主体结构上，形成完整的支架系统，如图8所示。

图8 参数化模块+通用模块装配完成后整架效果

图18 工况四计算分析（改变约束后）

7 结语

液压支架的定制化程度较高，利用三维设计软件（如本文中的SolidWorks）的参数化设计结合产品自身的模块化搭建，可以大幅度提高综采液压支架的设计效率，缩短设计周期，更好地适应定制化的需求。同时，也更有利于发挥研发人员的技术创新能力，直观地进行新结构的模拟验证，从而降低设计风险，提高设计质量，间接减少了制造过程中的返工和返修，提高了液压支架的制造质量。液压支架的三维模型还可以给后续的有限元分析提供方便，提升支架产品的安全性和可靠性。

当然，液压支架的可驱动参数（即设计输入）庞杂，在规划液压支架参数化模块化设计之时，就应做好取舍，抓住关键驱动参数（如本文中提到的假定支架的工作阻力不跨立柱规格变化），优化配置各类参数的传递关系，才能更好地完成液压支架参数化模块化设计的目的，实现液压支架研发更智能、更高效的目标。