支撑掩护式液压支架总体方案设计及仿真模拟毕业论文

1、支撑掩护式液压支架总体方案设计与仿真模拟 79/80支撑掩护式液压支架总体方案设计与仿真模拟毕业论文目录TOC o 1-3 u绪论11 液压支架概述21.1液压支架的组成与工作原理21.1.1 液压支架的组成21.1.2 液压支架的工作原理51.2 液压支架的类型和结构61.2.1 支撑式支架81.2.2 掩护式支架81.2.3 支撑掩护式支架91.2.4 特种支架102 实体建模和虚拟现实简介112.1 参数化设计软件Pro/ENGINEER112.2 VRML虚拟现实语言122.2.1 VRML的发展史122.2.2 VRML的工作原理133 支撑掩护式液压支架总体方案选择233.1 采煤

2、工作面顶板组成与其分类233.1.1 顶板组成233.1.2 顶板稳定性特征与分类233.2 支架架型选择233.2.1 液压支架选型准则253.2.2 围岩可控性分组263.2.3 液压支架型选择263.3 支架参数确定283.3.1 支架高度283.3.2 支护强度和工作阻力293.3.3 中心距和宽度293.3.4 初撑力303.3.5 移架力和推溜力303.3.6 梁端距和顶梁长度303.4 支架受力分析303.4.1 四柱支撑掩护式支架受力分析313.5 支架结构选择323.5.1 顶梁323.5.2 侧护板323.5.3 底座333.5.4 推移装置334 液压支架液压系统设计34

3、4.1 支架液压系统的特点344.1.1 液压系统特点344.1.2 液压支架传动系统基本要求354.2 液压系统拟定354.2.1 立柱系统354.2.2 千斤顶系统364.3 液压系统的计算374.3.1 液压损失的计算374.3.2 支架移架速度的计算385 Pro/E建模与仿真425.1 液压支架的测绘425.2 Pro/E实体建模425.2.1 液压支架各部件实体建模435.2.2 典型部件建模485.2.3 液压支架装配526 VRML机构仿真596.1 实体模型数据处理596.1.1 数据转换596.1.2 VRML模型文件整理606.2 液压支架VRML仿真636.2.1 液压

4、支架仿真规划636.2.2 液压支架仿真实现636.3 虚拟液压支架的使用68参考文献76致谢77绪论采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需求，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速发展综合机械化采煤工作面（简称综采工作面）。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，液压支架的需求量也是日益增大。由于不同采煤工作面的顶底板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为有效地支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。而液压支架的类型很多，因此液压支架的设计工作也较繁重。在设计过中，对设计结

5、果的有效模拟和检验是提高设计工作效率的重要途径。同时，在工人培训过程中也存在许多的麻烦，例如，大型设备的启停、拆装等，能采用接近真实的虚拟设备进行该培训，又直观又方便。虚拟现实技术是一种能对现实场景实现有效模拟的技术，它是高度发展的计算机技术在各领域的广泛应用过程中的结晶，它不仅仅包括所说的图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能等计算机技术，还涉与了数学、物理等学科领域，甚至与气象学、美学、地理、生物、心理学与社会学科等相关。此技术也不仅为液压支架的设计起到很好的辅助作用，也是为现有液压产品的展示和宣传的提供了很大的方便。1 液压支架概述采煤工作面支护设备是支撑和

6、维护采煤工作面控顶区顶板，为采煤创造安全作业空空间的设备。按结构特点和支护方式不同分为单体支架、液压支架、特种支架。单体支架是由单体支柱和顶梁组成的支护设备。单体支柱为支撑于顶板或顶梁和底板之间的单根杆状构建。液压支架以液压为动力实现升降、前移等运动，既能支撑又能维护顶板的支护设备，为采煤工作面综合机械化的主要设备。特种支架按结构、功能等因素分为工作面锚杆支架、刚性或柔性掩护支架和气囊支架。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和刮板输送机推向煤壁，从而满足工作面高产、高效和安全生产的要求。

7、液压支架的总重量和初期投资费用占工作面整套综采设备的60%70%左右，因此液压支架是现代采煤技术中的关键设备之一。1.1液压支架的组成与工作原理1.1.1 液压支架的组成液压支架是以高压液体为动力，由若干液压元件与一些金属结构件按一定连接方式组合而成的一种采煤工作面支护设备，一般由承载结构件、执行元件、控制元件和辅助装置四大部分组成，如图1-1所示。一、承载结构件承载结构件包括顶梁、底座、掩护梁和连杆等金属构件。(一)、顶梁顶梁直接与顶板接触。传递支撑力并起护顶作用的承载构件。除满足一定的风度和强度要求外，还要保证支护顶板的需要，如：有足够的顶板覆盖率；同时要适应顶板的不平整性，避免因局部应力

8、而引起的损坏。各类顶梁都为箱式结构，一般由钢板焊接而成。为加强结构的刚度，在上下盖板之间焊有加强筋板，构成封闭式棋盘型。顶梁前端呈滑撬式圆弧形，以减少移架阻力。支撑式支架后端焊有挂帘板，作为挂挡矸帘之用。在顶梁下面焊有铸钢柱窝，柱窝两侧有孔，用钢丝绳或销轴把立柱和顶梁连接起来，掩护式支架和支撑掩护式支架在顶梁后端有孔，通过销轴与掩护梁上的销孔相连。(二)、底座底座直接与底板接触。传递支撑力并用于支托立柱和其他部件的承载构件。支架通过底座与推移装置相联，实现自身前移和推动刮板输送机前移。 因此，底座除满足一定的刚度和强度要求外，还要求其对底板起伏不平的适应性要强，对底板的接触比压要小；要有足够的

9、空间为立柱、推移装置和其他辅助装置提供必要的安装条件；要便于人员操作和行走;能起一定的挡矸作用与具有一定的排矸能力；要有一定的重量，以保证支架的稳定性等。底座的结构型式有以下图几种，分别是：1整体式底座，如图中a、b； 整体式底座是由钢板焊接的箱式整体结构，又称刚性底座。这种底座稳定性好，强度高，不易变形，与底板接触面积大，比压小。如图中a所示的底座箱体高度大，便于安装立柱的复位装置，底座箱后部具有一定的档矸作用，前、后底座箱中间有人行道，但占用空间大，一般只用于支撑式支架。如图中b所示的底座高度低，占用空间小，一般用于掩护式或支撑掩护式支架。整体式底座的缺点是接底性较差。图1-1 支架底座结

10、构型式2对分式底座，如图中c、d、e；为使底座在一定围适应底板起伏不平的变化，将底座做成前后或左右对分式结构。如图中c, d所示底座为前、后座对分式结构，前座箱与后座箱用销轴直接铰接(如图中c)或通过弹簧钢板连接(如图中d)。图中e所示底座为左右座箱对分式结构，左座箱与右座箱用过桥、弹簧钢板和销轴等连接。对分式底座接底性能好，有较大的变形能力，又称半刚性底座。其缺点是稳定性较差。3底靴式底座，如图中f。整个底座分为4个底靴，每个底靴上支承1根立柱，用销轴连接。立柱之间用弹簧钢板连接。这种底座结构轻巧，动作灵活，对底板起伏不平适应性很强，但刚度差，稳定性差，接底面积小，对底板比压大，易压人底板。

11、所以底靴式底座只适用于底板坚硬且起伏较大的工作面，多用于节式支架。各种型式的底座前端均做成滑橇形，可减小支架的移动阻力，避免移架时出现啃底现象。底座与立柱均采用球面接触、并用限位板或销轴限位，以防止因立柱偏斜而受到横向载荷，或防止支架在升降过程中立柱脱出柱窝。(三)、掩护梁掩护梁连接顶梁与底座(或连杆)，承受支架水平力和垮落顶板岩石压力，防止采空区冒落矸石涌入工作面。掩护梁也是钢板焊接的箱式结构，是掩护式和支撑掩护式支架的特征结构部件。掩护梁上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座连接。(四)、前、后连杆掩护式和支撑掩护式支架的特征结构部件。前、后连杆与掩护梁、底座铰接形成支架四连杆机构，既可承

12、受顶板水平力，使立柱无需复位装置，又可在支架升降时顶梁前端沿双纽线运动，使梁端与煤壁之间的端面距变化较小，从而提高了支架控制顶板的可靠性。二、执行元件执行元件包括立往和各种千斤顶。(1)立柱在底座和顶梁或掩护梁之间，调节支架高度并承载的液压缸。立柱是液压支架的主要执行元件，用于承受顶板载荷、调节支护高度。国产液压支架中，立柱根据结构的不同大致可分为：单伸缩立柱和双伸缩立柱两种。单伸缩立柱有不带机械加长杆和带机械加长杆两种型式。当要求支架调高围较大时，可选用带机械加长杆的单伸缩立往，也可选用双伸缩立柱。单伸缩立柱结构简单、成本低，但不如双伸缩立柱使用方便。(2)千斤顶液压支架上除立柱以外的用于完

13、成推移、护帮和调架等功能的其他液压缸的总称，主要有前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶、复位千斤顶、防倒防滑干斤顶和调架千斤顶等。三、控制元件液压支架液压系统中使用的控制元件主要有两大类:压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀；方向控制阀主要有掖控单向阀、操纵树等。(1)安全阀 支架液压控制系统中限定掖体压力的液压元件、当立柱和千斤顶工作腔的液体压力在外载作用下超过安全阀的调定压力时，安全阁开启，工作腔的压力液通过安全阀位流，达到卸压的目的。卸载后，当工作腔的压力低于调定压力时，安全阀自动关闭。这样可使立柱和千斤顶保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤顶过载损坏。(2

14、)液控单向阀 闭锁并控制释放立柱或千斤顶工作腔液体，使立柱或千斤顶获得额定工作阻力的液压元件。(3)操纵阀 支架液压系统中使液压缸换向;实现支架升降、推移等不同动作的换向(分配)阀。(4)截止阀 液压支架管路系统中截断供液的液压元件。四、辅助装置辅助装置包括推移装置、挡矸装置、复位装置、护帮装置、防倒防滑装置等。(一)、推移装置 推移装置是液压支架必备的辅助装置。担负着推溜和移架任务。推移装置由推移千斤顶与其附属装置组成。对整体自移的垛式、掩护式和支撑掩护式支架，移架和推溜动作用1个千斤顶来完成。将千斤顶布置在底座的中部缺口处，两端分别与支架底座和刮板输送机连接。对于节式或各种组合迈步式支架，

15、移架和推溜动作各用1个千斤顶来完成，移架千斤顶布置在主、副架之间，分别与两者的底座相连;推溜千斤顶一端与支架相连，另一端与刮板输送机相连。推溜千斤顶是单作用的，它的数量可适当减少，每5-6m布置1个。推移装置按结构和推移方式的不同，可分为直接推移装置和间接推移装置两种。 (二)、侧护装置 布置在顶梁、掩护梁或连杆侧面。侧护装置用于掩护式和支撑掩护式支架，作用是防止架间漏矸和调架。侧护装置由位于支架顶梁和掩护梁两侧的侧护板、侧推千斤顶、伸出弹簧等组成。侧护装置的伸缩动作是在支架卸载后进行的，由侧推千斤顶和伸出弹簧控制。(三)、梁端支护装置 割煤后梁端距扩大，用于与时支护顶板的装置，多用伸缩前梁实

16、现。(四)、挡矸装置 防止矸石从采空区涌入工作面的装置。 (五)、复位装置保证支撑式支架立柱在垂直顶板的位置，使支架结构稳定且具有抵抗顶板水平分力的装置。掩护式和支撑掩护式支架靠支架四连杆机构复位。(六)、护帮装置 护帮装置安装在顶梁前端下部，一般由护帮千斤顶和护帮板组成。正常情况下，护帮板伸出紧贴煤壁，防止片帮或在片帮时起缓冲作用。当采煤机割到支架前面时，需将护帮板收回，让采煤机通过。支架移到新的工作位置后，重新伸出护帮板，以支护新裸露的煤壁。 (七)、防倒防滑装置防止支架倾例和支架移动时下滑的装置的总称。1.1.2 液压支架的工作原理液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安

17、全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作。图1-2 液压支架工作原理1顶梁；2立柱；3底座；4推移千斤顶；5安全阀；6液控单向阀7、8操纵阀；9输送机；10乳化液泵；11主供液管；12主回液管这些动作是利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如下图。一、支架的升降和推移 当操纵阀8处于升柱位置时，乳化液泵站来的高压液体通过操纵阀8、液控单向阀6进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀8处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。 支架的前移和推溜是通过操

18、纵阀7和推移千斤顶4来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀7置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶4的前腔与活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架完毕后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀7置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时，输送机将以支架为支点被推向煤壁。 二、支架的承载过程支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用过程。它包括初撑、承载和恒阻三个阶段。（一）、初撑阶段 在升架过程中，当支架的顶梁接触到顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站的工作压力时，停止供液，液控单向阀6立即关闭，这一过程为

19、支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式液压支架的初撑力为 KN式中 D支架立柱的缸径，m Pb 泵站的工作压力，MPa n支架立柱的数量由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱数量。合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的方法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。（二）、承载增阻阶段 支架出城完毕后，随着顶板下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。（三）、恒阻阶段 随着顶板来压的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越来高。当升高到安

20、全阀5调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力随之降低。当降到安全阀调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定数值上，这时支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀调定压力决定的。支撑式支架的工作阻力为 KN式中， Pa 支架安全阀调定压力支架的工作阻力标志着支架的最大承载能力，是支架的一个重要参数。但是，由于之家的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。因此，常用单位面积支护面积顶板上所受支架工作阻力的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。即, MPa式中 F支架的支护

21、面积，m2 对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。由上可知，支架工作时的支撑力与时间图1-3 液压支架特性曲线的关系：开始升柱至单向阀关闭时的初图1-3 液压支架特性曲线撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开启前 的增阻阶段t1, 以与安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段t2 , 这就是液压支架的阻力时间特性。它说明液压支架在低于额定工作阻力下工作时，具有增阻性，以保证对顶板的有效支撑作用；在达到额定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元

22、件。1.2 液压支架的类型和结构液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点的不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型。1.2.1 支撑式支架 支撑式支架是出现的最早的一种架型，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，与输送机联接并互为支点整体前移。节式支架由23个框节组成，移架时，各节之间互为支点交替前移，输送机由与支架相连的推移千斤顶推移。节式由于稳定性差已基本淘汰。支撑式支架的结构特点：顶梁较长，其长度多在4m左右；立柱多，一般46根，而且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置。以平平推力和防止矸石窜入支架的工作空间。 支撑式支架

23、的支护性能：支撑力大，且作用在支架中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑次数多，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，矸石以窜入工作空间；支架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。a垛式支架；b节式支架图1-4 支撑式支架结构型式1.2.2 掩护式支架掩护式支架的结构型式如以下图所示，它的结构特点是有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进入作业空间，其掩护梁上端与顶梁铰接，下端通过前后连杆与底座。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于顶梁（以下图

24、a）或直接作用于顶梁上（以下图b）。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，以增加支架的调高围，支架两侧有活动侧护板，可把架间密封。通常顶梁较图1-5 掩护式支架的结构型式短，一般为3.0m左右。掩护式支架的支护性能：支撑力较小，切顶性较差，但由于顶梁较短，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。但由于顶梁较短，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。1.2.3

25、 支撑掩护式支架 支撑掩护式支架式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，可适应各种顶板条件。按支撑位置不同支撑掩护式支架分为：支顶支撑掩护式支架(如图a所示)；支顶支掩支撑掩护式支架(如图b所示)，其中一排立柱支撑在掩护梁上。(a) (b)图1-6 支撑掩护式液压支架 支撑掩护式支架结构：顶梁一般由前梁和主梁构成，四根立柱支撑于顶梁和底座支间，掩护梁的上端与顶梁铰接，下端用连杆与底座相连。这种支架的优点是：支撑力大，切顶性能强，防护性能好，通风断面大，稳定性好，应用围广。它的缺点是：结构复杂，成本较高。 支撑掩护式支架的立

26、柱均为两排，立柱可前倾或后倾，也可倒八字形和交叉布置。通常，两排立柱都直接支撑在顶梁上，个别的有后排支撑在掩护梁上，前排支撑在顶梁上（如图1-6(b)）。1.2.4 特种支架 特种支架是为了满足某些特殊要求发展起来的液压支架，在结构型式上仍属于上述几种基本架型。具体的有放顶煤支架、铺网支架、三软支架和端头支架。其它分类方法有：按适用煤层倾角分：一般工作面支架；大倾角支架。按适用采高分：薄煤层支架；中厚煤层支架；大采高支架。按适用采煤方法分：一次采全高支架；放顶煤支架；铺网支架；充填支架。按在工作面中的位置分：工作面支架；过渡支架(排头支架)；端头支架。按稳定机构分:四连杆机构支架；单铰点机构支

27、架；反四连杆机构支架；单摆杆式支架；机械限位支架(橡胶限位、弹簧钢板限位、千斤顶限位)。按组合方式分：单架式支架；组合式支架。按控制方式分：1)本架控制支架；邻架控制支架；成组控制支架。按控制原理分：液压直接控制支架；液压先导控制支架；电液控制支架。2 实体建模和虚拟现实简介在这一章中重点介绍制作虚拟液压支架的工具：建模软件Pro/Engineer和仿真编程语言VRML(Virtual Reality Model Language)。2.1 参数化设计软件Pro/ENGINEERPro/ENGINEER 是参数化、基于特征的实体造型软件，由美国参数技术公司（Parametric Technol

28、ogy Corporation,简称PTC）开发。其功能十分广泛，包含实体建模、曲面设计、工程图、拆模、NC加工等。Pro/ENGINEER第一个提出参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自己的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/ENGINEER基于特征方式，能够将设计到生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。软件界面如以下图：图2-1 Pro/ENGINEER软件界面在此，利用Pro/ENGINEER的实体建模(Solid)功能完成对ZY型液压支架各个部分的三维模型建立。再利用其装配(ASM)功能完成液压支架各个部件的整体装配

29、，得到一个完整的3D液压支架模型。装配过程中，采用一定连接约束条件使支架能够用Pro/ENGINEER的机构仿真模块进行运动仿真，以与通过改变机构位置并导出为VR文件(*.wrl)，获得VR仿真中的关键帧(key frame)，用于支架动作仿真。2.2 VRML虚拟现实语言2.2.1 VRML的发展史VRML的历史可以上溯到1994年，当时在日瓦的第一次WWW年会上，一些与会者提出为创建三维网络的界面必须有一种通用的描述性语言，用于在 WWW上超级类似于超文本描述语言(HTML)，于是诞生了虚拟现实描述语言(Virtual Reality Makeup Language)。稍后，改为虚拟现实建

30、模语言 (Virtual Reality Modeling Language)，用于反映图像的本质。现在世界上有一个管理 VRML 的团体 ，简称为 VRML结构组织 (VGA)，VGA为网络的三维功能建立了标准。1995年5月，VRML1.0规正式出台，但此规缺少对一些关键特性如动作、交互和行为的支持，为此，急需对它进行修订。1996年8月，在新奥尔良举行的SIGGRAPH96会议上公布了VRML2.0规的第一版，经ISO JTCI/ SC2 4同意，这一版被作为14772号委员会草案公布，并且于1997年4月提交审议。该草案又称为VRML 97(遵循ISO把发布年号写入名字的命名约定)。从

31、此之后，许多公司纷纷推出了自己的 VRML浏览器，如 Netscape公司 Live3D，IE嵌的Microsoft VRML 2.0 Viewer，Apple公司的 Quick Time VR等等。我国对VR技术的正式研究起步却很晚，大概在20世纪90年代初，发展到现在已初步取得了成果，但与发达国家相比还有很大的差距。其研究概述如下。国最早开展此项技术试验的是虚拟现实工程技术研究中心；航空航天大学计算机系也是国最早研究VR的单位之一，它在VR视觉接口方面获得了一部分研究成果；大学设计了基于PC机的VR系统；清华大学国家光盘工程研究中心所作的“布达拉宫”，采用了QuickTime技术，实现大全

32、景VR制作；大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统；工业大学计算机系已经成功地合成了人的高级行为中的特定人脸图像，解决了表情的合成和唇动合成技术问题，并正在研究人说话时手势和头势的动作、语音和语调的同步等；交大信息工程研究所对VR中的关键技术立体显示技术进行了研究；中国 HYPERLINK :/ / 科技开发院威海分院研究了视觉接口技术，完成了VR中的体视图与软件接口；北方工业大学CAD中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，完成了通讯图像显示系统的多媒体平台与相关音频资料库, 并且中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心；#大学CIMS中

33、心开发了一套基于IRIX的虚拟科技园区环境实时漫游系统；另外，# HYPERLINK :/ /Traffic/ 交通大学图像处理模式识别研究所，国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、大学电子工程与住处科学系等单位也进行了一些研究工作和尝试。2.2.2 VRML的工作原理一、VRML的结构体系VRML文件描述的基于时间的三维空间称为虚拟境界（VirtualWorld），它由对象构成，而对象与其属性用节点描述，节点是VRML的基本单元。每个节点由类型、域、事件、实现、名字组成，节点按一定规则构成场景图（Scenegraph），场景图中分两类节点，第一类节点用于视觉、听觉角度表现对象，

34、它们按层次体系组织，反映境界的空间结构，提供颜色、灯光、超、材质、化身、重力、碰撞、地形随动、飞行等功能，支持局部坐标系；第二类节点参与事件产生和路由机制，形成路由图，确定境界随时间推移如何动态变化。环境变化、用户交互、时间推移产生事件，传感器（Sensor）检测并发出初始事件，实践产生其他事件或修改场景图结构，从而提供动态特性。插补器（Interpolator）是特殊事件处理器，利用它可以设计动画。对于复杂行为处理则须利用脚本节点（Scriptnode），它包含一组脚本描述语言编写的函数，Script节点收到事件后，将执行相应的函数，该函数可以通过常规的事件路由机制发送事件或直接向Scrip

35、t节点指定节点发送事件，脚本也能动态增、删路由。二、VRML脚本的执行过程VRML语言是一种用来描述几何形体的ASCII文本语言，它不需要经过任何编译器编译，直接由具备脚本解释功能的浏览器逐行解释执行。当用户打开VRML文件时，浏览器调用解释器逐行进行解释，把不同的图形节点按其参数在浏览器窗口中生成相应图形显示出来。同时，通过设置的传感器(Sensor)节点检测浏览器窗口中用户的动作，并将结果反馈回解释器中相应的节点进行再次运算，得出各个虚拟物体新的外观、形体尺寸、位置尺寸，并立即刷新屏幕。这段时间间隔十分短暂，所以用户根本感觉不出画面的停滞。三、VRML节点VRML 2.0使用场景图(Sce

36、ne Graph)数据结构来建立3D实境，这是以SGI(Silicon Graphics Inc.)的Open Inventor 3D工具包为基础的一种数据格式，其基本单元被称为节点(Node)，场景图规定了节点之间的等级关系与嵌套关系。VRML2.0使用符合右手规则的三维坐标系统(3DCS)，原点在屏幕中心，它也是使用这一坐标系统的各种几何体的中心。所以，当某个几何体的中心不在屏幕中心时，就需要适用Transform节点偏移坐标系统，在该节点的Children域定义的几何体都以该节点中所定义的坐标系统的原点为基准创建。一般只有简单的空间造型才使用VRML语言直接编写，对于复杂形体就需要借助前

37、面提到的Pro/E类似的3D建模工具进行。（一）节点类型VRML2.0总共定义有54个节点，它大致可以分为如下几类：造型节点(Shape)。用于表示各种基本的几何体和用于任意几何体的线框图和面框图。属性节点。用于定义相关对象的颜色、材质、纹理以与摄像机组、灯光组、视点、背景等。组节点(Group)。用于将节点分组，把相关节点组合成为同一个对象。 传感器节点(Sensor)。用于感知用户的输入或动作 ，以触发相应的动作。其它节点。包括移动和旋转动作 ，脚本(Script)节点、锚节点(Anchor)等。（二）基本造型节点盒子节点Box、球节点sphere、圆柱节点cylinder、圆锥节点con

38、e。节点应用举例：Shape appearance Appearance #包含几何造型的外观特征参数geometry Box #包含几何造型的尺寸等设置（三）复杂造型节点1. 挤压造型节点Extrusiongeometry Extrusion spine crossSection #定义截面形状 scale #截面缩放 orientation 0.0 0.0 1.0 0.0 #截面旋转 例：花瓶造型，如图2-2图2-2 花瓶造型2. 海拔栅格造型节点ElevationGridgeometry ElevationGrid xDimension 10 zDimension10 #x、z方向的栅格

39、点数 xSpacing1 zSpacing 1 #栅格间距 height #各点高度值列表例：山峦造型，如图2-3 图2-3 山峦造型（四）编组节点Group children #MFNode，子节点包含在 bboxCenter #SFVec3，组成员约束框架中心 bboxSize -1 -1 -1 #SFVec3，组成员约束框架尺寸 addchildren #输入输出接口 removechildren （五）Transform节点Transform children center rotation #当前坐标系旋转translation #当前坐标系偏移坐标scale #尺寸缩放scaleO

40、rientation #缩放方向 rotation的值为四位，前三位指定旋转轴，后以为指定旋转量；scale的三个数值表示的是三个坐标轴方向上的缩放比例值；scaleOrientation的数值类型与rotation的一致，前三位表示转轴，后一位表示转角（六）联节点(Inline)Inline url “ *.wrl” 当场景很大的时候，若所有的造型都在一个wrl文件中创建，将造成单个文件十分庞大，导致动作设置编程十分麻烦。所以，一般是将大场景分为几个部分，分别创建单独的wrl文件，最后用VRML文件引用到一个wrl文件中；通常，总的VRML文件中只设置Fog、Background，造型都用I

41、nline引入。这样就减少了调试错误发生的可能性和加快了浏览器下载速度。（七）DEF、USE的使用 DEF用于给造型节点、脚本节点命名以便之后的路由定义和有重复几何造型使用。例如：Group children DEF BSphere Shape Transform translation 5.0 0.0 0.0Children USE BSphere 前面用DEF定义了一个BSphere造型,即 “ DEF BSphere Shape”，在后文中遇到了相同的造型时，使用USE引用了该造型，即 “ children USE BSphere” 。当重复造型较多时，如阵列时，将大大减小代码量。 例：

42、333球阵列该造型通过DEF、USE从一个球开始变成31，再由31变成33，最后USE33构成333阵列。四、事件驱动机制和传感器 图2-4 球阵列由面向对象编程技术可以知道，对象之间的相互作用是通过一个对象向另一个对象发出某个操作消息而实现的，VRML也是这样。它在两个要传递消息的节点之间绑定一个路由。于是，第一个节点就可以通过路由传递消息给第二个节点。这样的消息称为事件(event)，它包含的是一个值，即节点需要传递的某个域值。当一个节点承受到某个事件时，它将根据新得到的域值，去进行一次数据更新，从而可能引发某个动作。通过绑定多个节点，就可以创建出复杂的线路 ，从而使创造出的世界充满动感和

43、交互性。传感器(Sensor)是VRML中提供交互能力和动态行为的单元。一个具有动态能力的节点需包含传感器。VRML共提供7种传感器节点，即Cylinder Sensor、Plane Sensor、Sphere Sensor、Time Sensor、Touch Sensor、 Visibility Sensor、Proximity Sensor。它们提供了用户与虚拟世界中的物体进行交互的机制:根据时钟或者用户的动作，它们可以产生一个相应的事件，这事件沿着事先设定好的路由传递下去，从而使得虚拟世界对用户做出反应 ，实现交互。 以下是用触摸传感器、Script对Time Sensor的启动进行控制

44、。如下图，Touch Sensor检测到触摸动作时，输出一个触摸时间（Touch Time）通过RouteTouch Sensor Time SensorTouch Time Start TimeEnableB (Script)Toggle NowToggle_changed图2-5 事件作用关系示意图路由传送到Time Sensor的Start Time输入接口和B (Script)的Toggle Now输入接口处，通过B代码运算得出一个布尔(Bool)值传送到Time Sensor的开关接口Enable。由此可见，Time Sensor的启动与否、启动时间是由两个节点控制的，路由表达式为：

45、图2-6 路由ROUTE TouchSensor.touchTime TO TimeSensor.startTimeROUTE TouchSensor.touchTime TO B.Toggle_NowROUTE B.Toggle_changed TO TimeSensor.enabled其路径图为：图2-7 路径图如此进一步深化便可实现复杂的交互操作。五、动画的实现（一）、实现动画的关键插节点 (Interpolator node)是实现动画的重要手段之一。通过一个被启动的时间传感器(Time Sensor)，不停地向插节点输出浮点时刻（该浮点时刻值的大小为0.0-1.0，每个时间循环开始为

46、0.0，完毕时为1.0）。插节点一旦接收到一个浮点时刻，就会结合其的关键时刻列表(key )，从自己的关键值列表(keyValue)中，通过线性插值的算法，得到一个收到浮点时刻的关键值，并经过路由送至Transform节点的相应域，从而实现几何体的移动、变色、旋转等关键帧动画。（二）、动画相关节点 和关键帧动画相关的节点有位置插补节点(Position Interpolator)、朝向插补节点(OrientationInterpolator)、颜色插补节点(ColorInterpolator)、矢量插补节点(NormalInterpolator)、标量插补节点(ScalarInterpolat

47、or)。以上节点分别用于移动、旋转、变色、亮暗、透明度动画等（三）、动画控制 如果仅仅使用时间传感器和插补节点完成动画的话，该动画将是在场景载入后自动运行的，不受控制。事实上虚拟现实之所以称之为“现实”，是因为它具有可交互性，能够让人控制甚至感受到。这就需要实现对动画播放的控制。例如：虚拟现实环境里有 图2-8 虚拟电视一台电视，要更真实的模拟就 需要为它加上一个开关、甚至亮度、色彩、音量调节按钮等。虚拟电视如图2-8（带有开关）。具体实现动画控制的是通过传感器对时间传感器的使能、循环控制，即对enable，loop，startTime，stopTime域值进行控制；从而可控的驱动插补节点输出

48、关键值。还有更高级的传感器如，平面传感器(planeSensor)、圆柱传感器(cylinderSensor)、球面传感器(sphereSensor)、visibilitySensor、接近传感器(ProximitySensor)以与碰撞检测节点(Collision)。通过这些传感器可以实现拖拽动画、接近动画等实时交互动画。例如：操纵阀手柄动画，自动门等。手柄的动画可以通过圆柱传感器将鼠标的运动角传递给手柄的Transform节点的rotation域；而自动门可以通过visibilitySensor或ProximitySensor传感器来模拟热释电红外传感器感知替身进入设定围的时间，从而启动门

49、的动画。图2-9是一个门的仿真动画，可以单击该们的把手开门。图2-9 门 图2-10 自动门原理自动门的仿真实现原理：如图2-10所示，在空间坐标系中，存在两扇门的实体造型（蓝色线条），同时在门所在组定义了一个visibilitySensor可见度传感器，设定其感知围sizex,y,z,即门前的虚线长方体，实际上使看不见该长方体的。竖直箭头代表虚拟替身，当walk进入到长方体时，该传感器将输出一个激活信息isactive和进入时间entertime。将此通过Route传送给门位置动画的驱动时钟（TimeSensor），分别传送到set_enable、starttime两个接口。从而开始驱动位置

50、插补节点产生动画。（四）、交互性的增强Script节点的使用ScripteventIn #输入接口eventOut #输出接口field #域url “” #script代码或统一资源定位地址(url)url域的 “”之间可以包含一段JavaScript、VrmlScript等脚本或是java的*.class文件的地址。通过script程序可以实现函数机构（如，四连杆机构等）的运算，实现精确的运动仿真。图2-11是一个用PlaneSensor创建的一个Joystick,它具有球铰副的运动特征。实现方法是通过Script节点将鼠标在PlaneSensor中的平面坐标值（x，y），换算成为手柄的球

51、面运动参数。（x,y）x（x,y）xy图2-11 JoystickScript节点的URL域与JAVA接口，为其扩展提供了可能性。我们可以借助JAVA的强大功能大大延伸VRML的功能。因此实际系统设计中，可以利用Java语言提供的强大网络编程能力,编写与远程系统通信和共享能力处理等功能的应用程序。Java对VRML的所有支持都通过附加的封装类实现。通过这些类，Java程序就能够访问VRML场景、承受和发送事件、从页面上得到VRML对象等，实现对VRML场景的完全控制。VRML和JSP互动流程如图2-12。请求过程回应过程图2-12 VRML&JSP六、VRML技术特点VRML是一门功能非常强大

52、的、基于Web的语言，由于其发展技时间不长，存在着很大的开发潜力，而在Internet飞速发展如此普与的今天，VRML有着不可估量的前景。VRML 是一种三维和渲染图形的描述性语言，它把“虚拟世界”看成一个“场景”，而场景中的一切看作“对象”（也就是“节点” ），对每一个对象的描述就构成了*.wrl文件（即VRML文件）。VRML的目的主要是为了在网页中实现三维动画效果以与基于三维对象的用户交互。它与HTML语言一样，也是一种ASCII的描述语言，且都支持超，只是HTML语言不支持三维图像和立体声音文本的显示。熟悉WWW的人都知道，由于HTML语言有局限性，VRML将网页颠覆简单的平面结构的时

53、代，VRML在网络中应用有着其强大的优势：（一）、低带宽、开放的标准、跨平台 VRML采用“可执行的代码”技术，有效克服了网络带宽造成的瓶颈。开发人员利用VRML可以不必在介质中传输容大得惊人的图像和动画文件，而只需传输用VRML描述的小型指令性数据集。在客户端利用本地计算机的强大计算与三维图形功能便可把接收的瘦型文件转换成极富感染力的可视化数据。 由于Web应用框架是由开放的标准 (如 ，HTML，VRML等)组成，这些标准相对于硬件平台和操作系统平台是中性的。从开发者的角度来说，开放的标准意味着平台自由性。开发者能在Web应用框架上采用许多开发工具编写应用程序，并在许多硬件平台、操作系统下

54、部署这些应用程序。（二）、从LAN到Internet的可扩展性好由于VRML和其他Web程序有着共同的网络通信协议TCP/IP，因而基于Web的虚拟产品技术既能在小型局域网上应用，又能在大型广域网乃至Internet上应用。 （三）、性/价比高 Web使用统一的通用客户端程序(即Web浏览器)处理显示来自不同服务器的数据，而这些服务器可以不同的协议、不同的格式传递文件。由于Web应用框架包含了开放标准，客户端程序可以使用 协议访问HTML文件或Java Applet，使用FTP协议下载文件，使用SMTP或POP协议收发Email，通过VRML文件访问3D影象，以与访问许多其他的网络资源。这个通

55、用的客户端程序消除了现在的C/S应用中往往需要不同客户端软件所带来的隐含费用支出。通用的客户端程序还使用户能够以一致的方式与所有基于Web的应用交互，减少了技术支持和培训费用。所有这些因素使得基于 Web的虚拟产品技术具有良好的性能价格比。七、VRML程序编写工具VrmlPad VRML是ASCII文本语言，它不需要经过任何编译器编译，所以，可以在任何文本编辑器里进行代码编写。下面介绍一个专业的VRML语言编程工具VrmlPad。VrmlPad 2.1中文版是一个很好的VRML语言编辑器ParallelGraphics公司出口的VRML开发工具，该工具有以下特点：（一）、可以编本地和远程的文件

56、；(二)、支持高级查找，使用书签，支持取消操作和重复操作；(三)、分色显示，自动侦错功能；(四)采用树形结构显示场景；(五)、支持在右边框中即时预览和浏览器中全屏预览；(六)有功能强大的发布向导；(七)、VrmlPad环境中可以处理和执行其他语言编写的外部应用程序；(八)、提供了文件列表功能，便于用户管理目录。该编辑器具有自动完成功能、纠错功能、预览功能以与场景树、路径图等极大的程度方便了脚本的编写。软件界面如图2-13：图2-13 VRMLPAD2.1界面3 支撑掩护式液压支架总体方案选择3.1 采煤工作面顶板组成与其分类3.1.1 顶板组成采场围岩包括煤层上方的直接顶、基本顶、和煤层下方的

57、直接底板。它们的机械性质和运动特征对工作面支护设备选型和支护参数选择至关重要。煤层采动后，因顶板出现变形、断裂和垮落，煤体被压松和发生片帮，支护设备的载荷增大和底板鼓起等原因引起的矿山压力显现。随着采煤工作面从开切眼向前推进，采空区直接顶悬露面积逐渐增大，其下沉和变形也随之增大。当推进到初次垮落步距（从开切眼到工作面初次切顶线的距离）时，直接顶开始冒落，形成冒落带。直接顶冒落后，基本顶悬露出来。随着工作面向前推进，基本顶在矿压作用下不断产生裂隙和变形，形成裂隙带。当达到极限垮落步距L0时发生断裂和垮落，与基本顶初次来压。以后随着工作面推进，基本顶呈周期垮落。在弯曲下沉带中，裂隙很少，仅岩层间有

58、离层现象，它对支护设备的载荷影响不大。3.1.2 顶板稳定性特征与分类一、直接顶的稳定性划分 直接顶是工作面支架首要的支护对象。对直接顶的稳定性评价，是支架结构和支护参数选择的首要依据。研究说明，影响顶板稳定性的主要因素是: （一）、组成顶板岩石的坚硬程度和脆性特征。一般用单轴抗压强度(Rc)表征其坚硬程度，杭拉强度反映其脆性特征。 （二）、顶板岩层分层厚度和分层强度沿厚度的分布。这里涉与刚度较大的岩层(承载层)和刚度较小的岩层(可称为随动层)的厚度与相对关系。 （三）、顶板岩体的完整程度。主要以节理弱面的发育程度来表征，包括分层厚度和节理特征(有密度、方向、组数)。 以上3个指标是反映直接顶

59、稳定性的基本要素。从岩层控制的需要出发，有必要对直接顶的稳定性进行实用性分类。 研究说明，直接顶初次垮落步距是综合反映其稳定性的权威性指标。直接顶初次垮落步距与直接顶分层厚度、岩石单轴抗压强度、裂隙密度密切相关。直接顶分类指标见表3-1。表3-1 直接顶稳定性分类指标项目1类（不稳定）2类（中等稳定）3类（稳定）4类（非常稳定）1a（极不稳定）1b（较不稳定）基本指标lz4m4mlz8m8mlz18m18mlz28m28mlz50m辅助指标泥岩、泥页岩节理裂隙不发育;分层厚度0.130.41m；抗压强度小于38MPa；综合弱化常量泥岩、碳质泥岩；节理裂隙较发育；分层厚度0.50.42m；抗压强

60、度1060MPa；综合弱化常最0.180.383 致密泥岩、粉砂岩、砂质页岩、砂岩；节理裂隙不发育；分层厚度0.16-0.86m；岩石强度2666.3MPa；综合弱化常量0.180.42砂岩、石灰岩；节理裂隙很少；分层厚度0.33-1.0 m；岩石强度32-99 MPa；综合弱化常量C=0.28-0.59致密砂岩、石灰岩；节理裂隙极少；分层厚度0.37-1.1m；岩石强度2256MPa；综合弱化常量0.370.59二、基本顶矿压显现分级 基本顶是指直接位于煤层之上对干工作面动态有不同程度影响的较硬岩层。它的运动特征对于综采工作面支架设计和选型有重要意义。研究说明，基本顶断裂对工作面压力显现的影