毕业设计（论文）-液压支架虚拟样机设计.doc

山东科技大学 Shandong University of Science and Technology毕 业 论 文论文题目：液压支架虚拟样机设计学生姓名：学生学号：专业班级：机械设计制造及其自动化09-4学院名称：机械电子工程学院指导老师：学院院长：2013年6月5日44山东科技大学目录摘要3第一章、绪 论3第一节 液压支架的发展概况3第二节 液压支架的分类31、 支撑式支架32、 掩护式支架33、 支撑掩护式支架34、 特种液压支架3第三节 液压支架的设计技术及发展方向31、 更新设计理念和设计方法32、 完善标准体系33、 架型改进发展34、 材料的升级换代35、 立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈36、 电液控制系统3第二章、Pro/E软件概述3第一节 功能介绍3第二节 模块介绍31、 工业设计 (CAID) 模块32、 机械设计 (CAD) 模块33、 功能仿真 (CAE) 模块34、 制造 (CAM) 模块35、 数据管理 (PDM) 模块36、 数据交换 (Geometry Translator) 模块3第三章、虚拟样机技术3第一节 虚拟样机的发展史及应用领域3第二节 虚拟样机的研究内容及现状3第四章、液压支架虚拟装配3第一节 液压支架各部件的建模过程3第二节 液压支架的整机装配3第五章、液压支架运动仿真3第一节 Pro/e仿真功能简介3第二节 液压支架运动仿真过程31、 液压支架运动仿真的一般过程32、 仿真结果分析3第六章、总结与展望3致谢3参考文献3液压支架虚拟样机设计摘要当前，我国制造业已经全面完成电子图版工程，我国二维CAD技术的普及结束了手工绘图的历史，对减轻工程人员的劳动强度，提高经济效益起到了很明显的作用。随着技术的发展，CAD技术正从二维CAD向三维CAD过度，三维建模技术是CAD技术的核心，建模技术的研究、发展和应用，代表了CAD技术的发展水平。三维CAD/CAE技术在产品的三维造型、虚拟装配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿真等方面带来了革命性的突破，极大地提高了设计效率和设计质量。Pro/E软件是目前国内外最为先进的基于特征的三维参数化设计系统之一。本论文较系统地阐述了利用Pro/E软件实现低位放顶煤液压支架三维实体建模和运动仿真分析的基本方法和技巧。并大体介绍了液压支架与虚拟样机的发展概况与应用前景。通过对液压支架进行运动仿真证明，设计支架尺寸合理，运动灵活，无运动干涉区域，顶梁前端一点的运动轨迹符合近似双纽线的要求。关键词：Pro/E；液压支架；三维建模；仿真AbstractAt present, Our country manufacturing industry has completed the project comprehensively of fling the chart board , and the popularization of two-dimensional CAD technology has finished the manual cartography history ,which plays a very obvious role in reducing the project personnels work and enhancing the economic benefit .With the development of technology ,the CAD is transiting from two-dimensional to three-dimensional . Three-dimensional modeling technology is the CADs core , and its research, development ,application on behalf of the CADs development. Three-dimensional CAD/CAE technology takes a revolutionary breakthrough at products three-dimensional modeling ,hypothesized assembly ,creating the engineering plat , dynamic interference examination ,organization movement analysis , dynamic simulation ,finite element analysis etc , which enormously enhances the efficiency and quality of design.Pro/E is at present one of the most advanced 3Dparameter CAD soft wares that based on the features. It is introduced the development situation and application prospect of the hydraulic support and virtual prototype .After the movement simulation analysis support ,it is proved that this hydraulic support have a reasonable size ,flexible movement and no movement interferes region ,the movement path of one point at the front of top-beam reaches request of similarly double turns the line .Key words: Pro/E ; hydraulic support ; modeling ; simulation第一章、绪 论第一节 液压支架的发展概况从历史来看，大约在四五十年前工作面还是用木支柱。随着刨煤机、钻削式和滚筒式采煤机等快速采煤机的使用，木支柱既不能对顶板提供足够大的阻力，其支护和回收亦难满足连续采煤的要求。于是，刚性木支柱被可压缩性摩擦的液压支柱所代替，并以支柱铰接顶梁的结构形式支护回采工作面。1954年，英国研制出垛式支架。它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁组成。几个月后，英国奥尔蒙德煤矿煤层的整个工作面都装备了这种支架。这就是世界上首个装备液压支架的采煤工作面。从此，开创了煤矿工业的新时代。1958年法国试验成功了节式支架。五十年代末期，为了开采煤层厚度超过2m的松散和破碎顶板条件下的褐煤，前苏联开始研制掩护式液压支架，并于1961年在阿乐斯科拖举办的贸易展览上展出了OMKT型掩护式支架。这种支架定量很短，仅0.8m，并与掩护梁铰接，单根朝前倾斜液压支柱连接着掩护梁和底座。当支架在其工作高度范围内升降时，顶梁顶点相对于煤壁做圆弧运动。这样，不仅影响了支架的承载能力，而且断面距变化很大，不利于顶板的维护。但比垛式和节式支架，掩护式支架能有效的控制顶板，防止开采过程中矸石渗入工作面，工作能力好。为了保持顶梁端点相对于煤壁做近似的直线运动，在OMKT型掩护式支架的基础上作了许多改进：60年代末和70年代初，随着液压支架在欧洲使用经验的日益增加，支架结构发生了巨大变化。长顶梁、二柱、四柱以及多柱四连杆机构的液压支架相继问世。并且，为了适应底板不平，底座采用分离铰接结构：对于松软底板，为减小底板比压，采用接触面积较大的底座；为了防止碎矸石窜入采区，采用了各种防窜矸的掩护装置。1974年，英国国家煤炭局实施的“高科技采煤工程”推动了液压支架即采煤设备的进一步发展。这项工程要求在选择工作面综合采煤设备时，必须采用最先进的设备和开采工艺，以提高煤炭产量和改善作业环境。进入70和80年代，液压支架仅有了新的发展。顶梁不仅实现了“立即前移支护”，而且整个支架安装了电液控制系统实现微电机控制于操作。1981年杜塞尔多夫采矿展览会上，展出了液压连杆式液压支架和具有液压调高机构的掩护式支架，并研制出采高为6m的大采高支架及放顶煤支架；对坚硬岩层设计了强力液压支架等。我国于1964年开始研制液压支架，已先后试制了MZ-1928型、TZ型、BZZC型、WKM-400型、DM-400型、YZ型、ZYZ型、ZY型等多种形式的液压支架，并在开滦、大同、阳泉、鹤壁、徐州、铜川、义马、淮北等局矿进行了试验和使用，取得了较好的效果。1974年以来以德国、英国苏联和波兰等国引进了许多不同类型的液压支架。实践证明，液压支架具有强度高、支护性能好、移设速度快、安全可靠等优点，能使采煤工作面得到高采量、高回采率和高工效，能大大减轻劳动强度，降低成本和掘进率，实现安全生产。目前，除液压支架电液控制和支架计算机辅助设计与绘图方面落后于国外，其他方面均以达到国外同期水平。第二节 液压支架的分类液压支架是综采工作面支护设备，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。液压支架按其结构特点和与围岩的作用关系般分为三大类，即支撑式、掩护式(图1-1)和支撑掩护式(图1-2)根据支架各部件的功能和作用，其组成可分为4个部分：(1)承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。(2)液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。(3)控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。图1-1掩护式液压支架结构 图1-2支撑掩护式液压支架结构(4)辅助装置，如推移装置、护帮(或挑梁)装置、伸缩梁(或插板)装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。按液压支架在采煤工作面的安置位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式。1、支撑式支架支撑式支架是出现最早的一种架型，按其结构和动作方式的不同，支撑式支架又分为垛式支架和节式支架两种结构型式。垛式支架每架为一整体，与输送机连接并互为支点整体前移。节式支架由个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机用于支架相连的推移千斤顶推移。节式支架由于稳定性差，现已基本淘汰。支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在左右；立柱多，一般是根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的的工作空间和通风断面大。由上可知，支撑式支架适用于直接顶稳定、老顶有明显或强烈周期来压，且水平力小的条件。此种支架在现阶段的综采工作面的生产时都已基本不再采用。2、掩护式支架（如图1-1）其主要由前梁、主梁、掩护梁和侧护板、底座、前后连杆、前梁千斤顶、推移千斤顶、操纵阀等组成。它的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区矸石进入作业空间，其掩护梁的上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用与顶梁或直接作用与顶梁上。掩护式支架的立柱较少，除少数掩护式支架1根立柱外，一般都是一排2根立柱。这种支架的立柱都为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为左右。掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上，所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。由上可知，掩护式支架适用于顶板不稳定或中等稳定、老顶周期来压不明显、瓦斯含量少的破碎顶板条件。3、支撑掩护式支架（如图1-2）其主要由防片帮千斤顶、前梁、顶梁、掩护梁、底座、推移千斤顶、立柱等组成。支撑掩护式支架是在吸收了支撑式和掩护式两种支架优点的基础上发展起来的一种支架。因此，它兼有支撑式和掩护式支架的结构特点和性能，可适应各种顶底板条件。此种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用范围广。它的缺点是：结构复杂，成本较高。支撑掩护式支架的立柱均为两排，立柱可前倾或后倾。也可倒八字形布置和交叉布置。通常，两排立柱都是直接支撑在顶梁上，个别情况下，也有后排立柱支撑在掩护梁上而前排立柱支撑在顶梁上。4、特种液压支架特种液压支架是为了满足某些特殊的要求而发展起来的液压支架，在结构形式上仍属于以上某种液压支架。包括放顶煤支架等。第三节 液压支架的设计技术及发展方向目前，液压支架的现代设计理论的三大主要流派，包括，欧洲流派的系统设计方法、美国的流派的设计原理和日本流派的一般设计学。就现代设计理论和方法的范畴而言，现代设计理论和方 法还在不断地发展和完善过程中。目前理论较为成熟和应用广泛的现代设计方法包括机电产品造型设计、计算机辅助设计、优化设计、计算机辅助工程设计CAE、摩擦学设计和可靠性 设计等。长壁综采是我国煤炭开采技术的主导发展方向，根据矿井条件的不同，对液压支架的发 展将提出不同要求。条件好的大型安全高效矿井，重点发展大工作阻力、高可靠性、电液控制液压支架，条件复杂的矿井重点发展适应难采煤层的各种支架，大批中小矿井将进行技术 改造，推广使用以紧凑型为主的液压支架。 1、更新设计理念和设计方法设计理念的创新是液压支架技术创新的根本，通过积极消化吸收国际先进技术， 改变传统的设计理念，把可靠性作为首要目标。采用现代优化设计方法，三维CAD动态设计，开发三维CAD参数化设计系统、系统可靠性设计。进一步开发支架结构分析计算软件系统，完善结构有限元分析软件系统及实用化，完善液压控制系统的设计，加强细节设计。2、完善标准体系 标准是技术发展的保障，建立完善的煤矿支护设备技术标准体系是技术发展的重要任务。经过多年的努力，我国已形成了较完整的MT煤矿支护设备技术行业标准体系。但是，随着技术的进步和WTO国际经济一体化，这些标准大多已不适应当前技术发展要求，急需制定新的国家标准，进行建立液压支架国家标准体系的研究。3、架型改进发展 随着安全高效矿井建设的不断发展，对长壁综采设备生产能力和可靠性的要求越来越高，支架向大工作阻力、高可靠性方向发展。一次采全高普通支架继续向着两柱掩护式发展，并将进一步扩大适用范围，大倾角支架、薄煤层支架、67m特厚煤层一次采全高支架、三软难采煤层支架等将不断发展新架型结构。放顶煤支架在继续发展四柱式的同时，两柱式放顶煤支架将逐渐发展成为主导架型之一。端头支护和顺槽超前支护等特殊支架将得到广泛重视和发展。4、材料的升级换代 随着支架向大工作阻力和高可靠性要求的提高，支架重量也不断增加，给运输、搬运和 安装等环节带来了很大困难，如何在保证强度的前提下，减轻支架重量是支架设计中迫切需 要解决的问题，采用高强度钢材是最有效的途径。5、立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈 目前，国产液压支架立柱、千斤顶的密封性能是最突出的薄弱环节，大多数仍在用橡胶密封圈，部分支架采用了国产聚氨酯密封圈，但其密封结构陈旧，国产聚氨酯密封圈质量稳定性差，为了彻底解决支架立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈存在的问题，北京开采所已进行了两年多的研究和实验，取得三项专利。尚需从密封结构、密封机理、密封材料、密封 圈结构形式、密封圈成型工艺等诸多方面进行深入的研究，研制出高可靠性聚氨酯密封圈。实现立柱和千斤顶新型密封结构和密封圈的更新换代是支架技术发展的必然趋势。6、电液控制系统 电液控制是液压支架技术发展的重要方向。煤矿液压支架电液控制系统是煤矿综采工作面自动化系统控制的核心，其是以网络技术为基础，实现采煤机位置检测和液压支架的跟机 自动控制，并且可实现液压支架及其配套设施的检测监控综合管理，实现地面通讯和远程控 制 。目前，发达国家的液压支架已普遍采用电液控制系统，我国神东、兖州、晋城等矿区和一些新建大型矿井也大量采用电液控制系统。液压支架电液控制是实现工作面自动化的前 提条件，是安全高效矿井的必然选择从目前我国煤矿技术经济条件和效益出发，电液控制 液压支架主要用于年产400万吨以上一次采全高长壁工作面、600万吨以上放顶煤工作面和薄 煤层高效开采工作面。国外电液控制系统的发展已经达到成熟阶段。我国液压支架电液控制系统的发展还处于 研究开发阶段，还没有相关的电控系统产品。国产电液控制系统存在的主要问题是电液控制系统关键元部件对煤矿井下综采工作面生产环境的适应能力较差，电液控制系统元部件之间的参数匹配和性能匹配还不太合理，电液控制系统整体可靠性指标还比较低等问题。在目前条件下，电液控制系统主要采用国外产品配套或核心部件采用国外成熟产品。与此同时，应大力发展高可靠性手动大流量快速移架系统、大流量安全阀和各种大流量液压元件，提高支架控制系统的可靠性。第二章、Pro/E软件概述第一节 功能介绍Pro/E软件包的产品开发环境在支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。其中Pro/E V2000I更增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。第二节 模块介绍1、工业设计 (CAID) 模块 工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，以前，在零件未制造出时，是无法观看零件形状的，只能通过二维平面图进行想象。现在，用 3DS 可以生成实体模型，但用 3DS 生成的模型在工程实际中是“中看不中用”。用 PRO/E 生成的实体建模，不仅中看，而且相当管用。事实上， PRO/E 后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生成的数据。 包括： PRO/3DPAINT(3D 建模 ) 、 PRO/ANIMATE( 动画模拟 ) 、 PRO/DESIGNER( 概念设计 ) 、 PRO/NETWORKANIMATOR( 网络动画合成 ) 、 PRO/PERSPECTA-SKETCH （图片转三维模型）、 PRO/PHOTORENDER( 图片渲染 ) 几个子模块。 2、机械设计 (CAD) 模块 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制任意复杂形状的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如图 1 中的摩托车轮轱，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用 PRO/E 生成曲面仅需 2 步 3 步操作。 PRO/E 生成曲面的方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此 PRO/E 可以迅速建立任何复杂曲面。它既能作为高性能系统独立使用，又能与其它实体建模模块结合起来使用，它支持 GB 、 ANSI 、 ISO 和 JIS 等标准。包括： PRO/ASSEMBLY （实体装配）、 PRO/CABLING （电路设计）、 PRO/PIPING （弯管铺设）、 PRO/REPORT （应用数据图形显示）、 PRO/SCAN-TOOLS （物理模型数字化）、 PRO/SURFACE （曲面设计）、 PRO/WELDING （焊接设计）。3、 功能仿真 (CAE) 模块 功能仿真 (CAE) 模块主要进行有限元分析。我们中国有句古话：“画虎画皮难画骨，知人知面不知心”。主要是讲事物内在特征很难把握。机械零件的内部变化情况是难以知晓的。有限元仿真使我们有了一双慧眼，能“看到”零件内部的受力状态。利用该功能，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。著名的可口可乐公司，利用有限元仿真，分析其饮料瓶，结果使瓶体质量减轻了近 20 ，而其功能丝毫不受影响，仅此一项就取得了极大的经济效益。 包括： PRO/FEMPOST （有限元分析）、 PRO/MECHANICA CUSTOMLOADS （自定义载荷输入）、 PRO/MECHANICA EQUATIONS （第三方仿真程序连接）、 PRO/MECHANICA MOTION （指定环境下的装配体运动分析）、 PRO/MECHANICA THE RMA（热分析）、 PRO/MECHANICA TIRE MODEL （车轮动力仿真）、 PRO/MECHANICA VIBRATION （震动分析）、 PRO/MESH （有限元网格划分）。 4、 制造 (CAM) 模块 在机械行业中用到的 CAM 制造模块中的功能是 NC Machining( 数控加工 ) 。说到数控功能，就不能不提八十年代著名的“东芝事件”。当时，苏联从日本东芝公司引进了一套五座标数控系统及数控软件 CAMMAX ，加工出高精度、低噪声的潜艇推进器，从而使西方的反潜系统完全失效，损失惨重。东芝公司因违反“巴统”协议，擅自出口高技术，受到了严厉的制裁。在这一事件中出尽风头的 CAMMAX 软件就是一种数控模块。 PRO/ES 的数控模块包括： PRO/CASTING （铸造模具设计）、 PRO/MFG （电加工）、 PRO/MOLDESIGN （塑料模具设计）、 PRO/NC-CHECK （ NC 仿真）、PRO/NCPOST （CNC 程序生成）、 PRO/SHEETMETAL （钣金设计）。 5、 数据管理 (PDM) 模块 PRO/E 的数据管理模块就像一位保健医生，它在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产品各种故障的原因，帮助你对症下药，排除产品故障，改进产品设计。它就像 PRO/E 家庭的一个大管家，将触角伸到每一个任务模块。并自动跟踪你创建的数据，这些数据包括你存贮在模型文件或库中零件的数据。这个管家通过一定的机制，保证了所有数据的安全及存取方便。 它包括： PRO/PDM （数据管理）、 PRO/REVIEW （模型图纸评估）。 6、 数据交换 (Geometry Translator) 模块 在实际中还存在一些别的 CAD 系统，如 UG 、 EUCLID 、 CIMATRTON 、 MDT 等，由于它们门户有别，所以自己的数据都难以被对方所识别。但在实际工作中，往往需要接受别的 CAD 数据。这时几何数据交换模块就会发挥作用。 PRO/E 中几何数据交换模块有好几个，如： PRO/CAT （ PRO/E 和 CATIA 的数据交换）、 PRO/CDT （二维工程图接口）、 PRO/DATA FOR PDGS （ PRO/E 和福特汽车设计软件的接口）、 PRO/DEVELOP （ PRO/E 软件开发）、 PRO/DRAW （二维数据库数据输入）、 PRO/INTERFACE （工业标准数据交换格式扩充）、 PRO/INTERFACE FOR STEP （ STEP/ISO10303 数据和 PRO/E 交换）、 PRO/LEGACY （线架 / 曲面维护）、 PRO/LIBRARYACCESS （ PRO/E 模型数据库进入）、 PRO/POLT （ HPGL/POSTSCRIPTA 数据输出）。Pro/Engineer 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 第三章、虚拟样机技术第一节 虚拟样机的发展史及应用领域美国波音飞机公司的波音777 飞机是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析均采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短（其中制造周期缩短50%），研发成本大大降低（如减少设计更改费用94%），而且确保了最终产品一次接装成功。通用动力公司1997 年建成了第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。日产汽车公司，利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。Caterpillar 公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。John Deere 公司利用虚拟样机技术找到了工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题的原因，提出了改进方案，且在虚拟样机上得到了验证。美国海军的NAVAIR/APL 项目，利用虚拟样机技术，实现多领域多学科的设计并行和协同，形成了协同虚拟样机技术（collaborative virtual prototyping），他们研究发现，协同虚拟样机技术不仅使得产品的上市时间缩短，还使得产品的成本减小了至少20%。我国虚拟样机技术最早应用于军事、航空领域，如飞行器动力学设计、武器制造、导弹动力学分析等。随着计算机技术的发展，虚拟样机技术已经广泛的应用到了机械工程、汽车制造、航空航天、军事国防等各个领域，在很多具体机械产品的设计制造中发挥了作用。如复杂高精度数控机床的设计优化、机构的几何造型、运动仿真、碰撞检测、运动特性分析、机构优化设计、热特性和热变性分析、液压系统设计等等。在虚拟造型设计、虚拟加工、虚拟装配、虚拟测试、虚拟现实技术培训、虚拟试验、虚拟工艺等方面都取得了相应的成果。例如将虚拟样机技术应用于机车车辆这样复杂产品的研发中，将传统经验与虚拟样机技术相结合，使动力学计算、结构强度分析、空气动力学计算、疲劳可靠性分析等问题得到更好的解决，为铁路机车车辆虚拟样机的国产化提供了一条有效的解决途径。在机构设计中，采用虚拟样机技术对机构进行动力学仿真，分析机构的精度和可靠性。虚拟样机技术应用在重型载货汽车的平顺性研究上，可以有效的评价汽车的平顺性，虚拟样机技术还可以对复杂零件进行虚拟加工，检验零件的加工工艺性，为物理样机研制提供保障。虚拟样机技术应用于内燃机系统动力学研究，为内燃机的改进设计提供依据。虚拟样机技术是对计算机技术、CAD技术、数学方法等多学科技术的综合应用，这对设计者提出了很高的要求。设计者如想要得心应手的应用虚拟样机技术就必须具有广泛的知识面，尤其是对计算机技术、CAD 技术、数学方法要非常熟悉，并能够将专业领域的知识综合到虚拟样机中。产品的复杂性、各学科的难度，知识的综合及设计者本身知识的不全面，给虚拟样机技术的应用带来相当大的难度，任何知识的欠缺，都将影响虚拟结果的正确性。第二节 虚拟样机的研究内容及现状作为一项新型工程技术，虚拟样机日益显示出强大的生命力，正越来越多地被应用于机械、电子、航空和国防等领域。但就液压支架而言，各方面研究才刚刚展开。复杂产品涉及的学科领域多，开发过程复杂，涉及团队、管理、技术诸多要素的集成和优化，涉及信息流、工作流、物流的集成和优化。传统的设计方法，主要重在几何信息的描述，对其他信息描述较弱，很难在系统层次上进行统一的描述。虚拟样机技术采用分布的、并行的方法来建立产品模型，要求能够一致的、有效的描述组织管理和协同运行这些模型。要给用户提供逻辑上一致的、可描述的与产品全生命周期相关的各类信息，并且支持各类信息的共享、集成与协同运行，能够从系统的层次上模拟产品的外观、功能、行为，支持不同领域人员从不同角度对同一产品并行地进行测试、分析、评估。目前对虚拟样机的研究很多都是集中在复杂产品的开发上，但在技术上非常复杂，开发难度相当大。第四章、液压支架虚拟装配第一节 液压支架各部件的建模过程对液压支架整机的三维实体建模一般采用自下向上的方法，即先依据各部件的结构形状和尺寸建立各部件的三维模型，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，最后形成一台完整的机器。很显然，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。在本次设计中主要采用拉伸命令进行建模。本文将以顶梁的建模过程作为代表。打开Pro/E5.0，点击新建按钮出现对话框，设置如图4-1所示,点击确定，之后选择mmns_part_solid，点选确定，之后就进入了零件的建模窗口。点击，之后点击放置按钮，进入草绘面选择对话框，选择草绘平面，如图4-2所示。根据零件尺寸要求一步一步的进行拉伸，零件创建好之后其效果图如图4-3所示。图4-1 图4-2图4-3顶梁效果图总体来说，建模过程没有什么要强调的，大多用的指令是拉伸，有时会用到扫描和旋转指令。鉴于建模过程比较简单，本文在这里就建模过程不予以一一介绍。第二节 液压支架的整机装配创建好液压支架的所有部件之后，就要开始进行装配。装配前，应正确分析各部件在整机中的位置、作用、以及相关部件之间的装配关系、运动关系，以保证装配后整机定位可靠、运动灵活、互不发生干涉。装配是在PRO/E的组件模块中完成的。由于各部件之间的装配关系不同，PRO/E提供了不同的装配形式。如果装配件与装配件之间没有相对运动，装配时应选用“放置”选项定义板定义彼此之间的约束关系；否则，在装配时应选用“连接”选项板来定义它们之间的连接关系和约束关系。在装配过程中，如果按照设定的约束关系并没有使装配件处于“正常的工作位置”，可使用“拖动”选项板上的“平移”、“旋转”等工具对配件进行调整，直至符合要求为止。在PRO/E中，组件模块提供了“匹配”、“对齐”、“插入”和“坐标系”等多种约束类型和“刚性链接”、“销钉链接”、“平面链接”、“球连接”等多种形式，如图4-4所示。图4-4连接形式与用户自定义在具体的操作中，正确地选择并使用这些约束类型和连接形式，对能否成功地实现液压支架的虚拟装配与运动仿真至关重要。为此，四个立柱与油缸两端的销孔与其相关部件上耳座之间一律采用“销联接”，活塞与缸体之间一律采用“滑动杆连接”，顶梁与掩护梁之间，掩护梁与前后连杆之间一律采用“销联接”。一般情况下，采用的链接形式不同，接下来所需定义的约束类型也不同。只有当装配处于完全约束时，被装配件才可能具有确定运动，“链接”才会生效.总的来说，装配过程是较为简单的。但是还是要注意几个问题。1）一般来说，建立一个装配约束时，应选取元件参照和组件参照。元件参照和组件参照分别是元件和装配体中用于约束定位和定向的点、线、面。例如通过对齐（Align）约束将一根轴放入装配体的一个孔中，轴的中心线就是元件参照，而孔德中心线就是组件参照。2）系统一次只添加一个约束。例如不能用一个“对齐”约束将一个零件上两个不同的孔与装配体中的另一个零件上的两个不同的孔对齐，必须定义两个不同的对齐约束。3）要对一个元件在装配体中完整地指定放置和定向（即完全约束），往往需要定义数个装配约束。4）正确进行立柱的装配。由于现有的很多软件很难识别立柱窝和立柱缸体底部圆球面得配合关系，所以装配过程比较复杂，有时甚至没法装配。有一个解决方法局势将立柱简化成铰点（joint），这样还有一个优点就是进行运动分析（dynamic）和运动学分析（kinematic）时时比较方便（简化成转动副）立柱与柱窝的装配关系如图4-5所示。还有局势立柱以及各部件以及各种千斤顶的活塞和缸体最好装配成部件，然后调入到总装图当中，不要放在总装图中装配。如果在总装图总装配，装配过程将会很复杂。图4-5立柱与柱窝的和装配关系图5）在PRO/E中元件时，可以将多个所需的约束添加到元件上。即使从数学的角度来说，元件的位置已完全约束，还可能需要指定附加约束，一确保装配件达到设计意图。如图4-6所示为顶梁装配链接关系图，用到多个设置，以保证与各部件的定位关系正确。图4-6顶梁的装配关系6）在装配插板和护帮时，可能出现装配不上活连接不到组建等问题，我们可以先装配插板和护帮等部分组建，如图4-7和4-8所示。 图4-7插板与插板千斤顶装配图4-8护帮与其各组建之间的装配总的来说，装配过程是较为简单的。需要说明的是，三维建模工具仅仅完成了实体建模的制作，只有和有限元分析软件以及运动学仿真软件结合起应用，才能发挥其最大的价值。如果把三维建模工具仅仅当成项AutoCAD软件那样来绘制图形，则没有发挥到其正真的作用。应为三维建模的主要目标在于为虚拟产品提供数据。要形成一个认识：以三维建模设计软件为平台，集成有限元分析软件和运动仿真组成应用系统，才能真正的解决提高产品设计质量问题。随着计算机技术的发展和软、硬件成本的下降，利用三维建模工具来进行支架设计将会使支架设计水平越来越完善。液压支架三维建模与装配的效果图如图4-9所示。图4-9液压支架三维模型第五章、液压支架运动仿真第一节 Pro/e仿真功能简介 Pro/e是一套由设计至生产的机械自动化软件，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并具有单一数据库功能。其中Proe-Mechanism Design Extension（结构设计扩展）是Pro/e包含运动的一个模块，能够对设计进行模拟仿真校验，如运动仿真显示、运动干涉检验、运动轨迹、位移、速度、加速度计算等。机构运动包括自由度的计算、各个构建位移、速度和加速度的计算以及构件会不会干涉、还有如何改变构建的尺寸来满足设计的需要等内容。第二节 液压支架运动仿真过程1、 液压支架运动仿真的一般过程液压支架的仿真流程如下图5-1所示。图5-1仿真流程图液压支架的运动仿真是成功建立力气装配模型的基础上，通过定义静止部件、运动部件，并在各起始运动件上定义驱动电机、选择连接轴和运动方向、设定运动条件或参数等一系列操作来实现的。由于液压支架运动部件均已立柱或油缸为驱动件，活塞杆在油缸中只作往复运动，所以，在建立液压支架的仿真模型时，以底座为静止部件，其他部件均为活动件。将驱动电机放在活塞上，以活塞轴线作为联接轴，然后根据各个活塞杆的行程和运动时间，在“轮廓”面板的“规范”栏中选择“位置”来规范活塞的运动，在“模”栏中选取“表”选项；最后，利用“运动分析”命令定义运动仿真的起始长度和帧数等，即可播放完成的动画。在组装好装配图后，点选菜单栏中的“应用程序”下拉菜单中的“机构”，进入机构仿真模块。运动仿真的操作步骤如下：1）插入伺服电机选菜单栏中的“插入”下拉菜单中的“伺服电动机”，弹出伺服电动机定义框，在“类型”中选择从动图元，如图5-2所示。图5-2在“轮廓”的“规范”中可以定义从动图元的位置、速度、加速度，在“模”中可以定义速度函数。在“图形”中可以选择“位置”、“速度”、“加速度”可以显示运动的效果图。在本次设计中由于电机为分段运动不能使用速度定义，只能选择位置定义，在定义的过程中电机的运动范围是受到限制的，电机的运动模不能超出液压缸的有效运动长度，所以电机的定义采用“表”中的“时间模”的定义方式。 如5-3图所示为推移千斤顶电机定义过程。图5-3推移千斤顶电机的时间定义2）定义分析单击机构分析按钮弹出“分析定义”对话框，在此对话框中科设置总运动馆时间、帧数、帧频等运动参数以及电动机的运动顺序和运动时间。定义时间域的方式又三种：长度和帧频：输入运行的时间长度和帧频，系统计算总的帧数和运行长度。长度和帧数：输入运行的时间长度和总帧数，系统计算运行的帧频。帧频和帧数;输入总帧数和帧频，系统计算运行时间。由于本次设计时顺序动作，顺序为：前移升柱前梁伸出护帮伸出掩护梁伸出插板伸出插板收回掩护梁收回护帮收回前梁收回降柱收回后推杆。要实现电机的顺序动作是一个非常复杂的过程。在定义电机的过程中，采用了“位置”定义电机方便了“分析定义”中的电机定义。其运动时间段如图5-4图5-4电机运动时间段2、 仿真结果分析获取仿真结论是将运动的结果与实际运动进行对比分析，如运动干涉、运动包络等，对出现的问题提出改进方法，实现液压支架的最优化。在液压支架零、部件装配和运动仿真完成后，就可以利用PRO/E对设计的实体模型进行干涉检验，包括静态检查和动态检查。静态干涉检查是指在特定的装配结构形式下，检查装配体各个零件之间的相对位置是否存在零部件之间的运动干涉。直接利用PRO/E对设计模型进行分析，重点对装配模型进行全局干涉检验，检验结果直接显示在模型中，同时用数字给出干涉区域的面积。这样对整个支架的装配结构进行干涉检验，可以观察和分析出区域问题，从而进行结构改进设计，将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态，减少试制样机费用和改进时间，并大大缩短机械产品的更新周期。在液压支架运动仿真完成之后，借助于PRO/E仿真分析测量还可以测量系统中需要跟踪的参数，如零件的位置、速度、加速度等，并将其变化趋势通过图表的形式直观的表现出来，假如结果不理想，可以在设计模式下直接修改模型参数，重复仿真分析以达到机构优化的目的。运动分析所有电动机后即可进行运动分析，如图5-5所示。分析无误后保存分析果，利用“回放”命令可以对已运行的运动分析进行回放，在回放中还可以进行动态干涉检查和制作播放文件。对每个运行的运动定义，系统将单独保存一组运动结果，利用“回放”命令可以将其结果保存在一个文件中，也可以删除、恢复或输出这些结果而后可生成后缀名为mpg的演示文件。如图5-6。具体演示文件见视频。图5-5运动回放图5-6视频截图绘制轨迹曲线在运动仿真后还要对液压支架的特殊点的运动轨迹进行分析。特殊点有：掩护梁顶点、顶梁、摆杆顶点。掩护梁的运动轨迹分析选择绘制曲线命令，便可以绘制液压支架的运动曲线。选择“新建”按钮就可以进入选择分析的点，选取前梁梁顶点，选择过程如图5-7所示。在“位置”选项框中还可以选择“速度”、“加速度 ”、“连接反作用力”等。在分量中可以选择“x”、“y”、“z”、“模”，本次选择“x”方向作为代表进行运动分析，“位置时间”曲线图如5-8所示。图5-7图5-8从曲线中可以看出前梁梁前端点开始向负方向运动，在运动一段时间后有一个小段时间的反向运动过程，这是由于前梁前端点在运动到水平位置后还会继续向上运动一小段的距离，导致在x方向上还有一小段的反向运动过程；在前梁停止运动时，前梁停止在运动极限；在前梁反向运动时，同理有个反向运动过程。此过程与液压支架的实际运动过程相符。前梁带动的护帮“轨迹曲线”定义在“插入”中选取。“轨迹曲线”如图5-9所示。由于摆杆的存在，护帮在x方向的运动轨迹比实际的要求弯曲大。图5-9其余梁的运动轨迹曲线在此就不一一分析了，其过程大致与前梁的相似。第六章、总结与展望全球经济的一