基于VB的液压支架CAD设计平台研究.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 论文题目基于 VB 的液压支架 CAD 设计平台研究 专 业机械制造及其自动化 硕 士 生吕伟锋 （签名） 指导教师郭 卫 （签名） 摘 要 液压支架是煤矿机械化综采工作面的关键设备，本文在综述国内外液压支架产品研 发、应用及设计方法发展现状与趋势的基础上，针对传统设计的不足并结合当前产品设 计方法的发展趋势，在 VB 开发环境下，以 Solidworks 三维设计软件、Matlab 仿真软件 和 ACCESS 数据库为支撑，采用面向对象的设计方法，开发液压支架 CAD 设计平台。 该设计平台由数据库模块、优化计算模块、整体受力分析模块、强度校核模块、三维参 数化建模等五个功能模块组成。 其中数据库模块包括液压支架的选型，支架技术参数和结构参数的管理和应用，同 时还是建模模块、结构分析模块及仿真分析模块联系的纽带；优化计算模块采用 Matlab 和 VB 混合编程，以前后连杆受力之和为目标函数，对支架进行优化设计；整体受力分 析模块对优化过的液压支架进行结构运动分析和平面受力分析， 主要包括梁端距的运动 轨迹 ， 瞬心运动轨迹， 连杆受力计算， 底板比压计算， 并将计算结果输出为 Excel 表格； 强度校核模块包含液压元件的校核，实现了对立柱和各个千斤顶的快速强度校核；三维 参数化建模模块利用骨架模型，在草图布局中创建块，利用块生成支架零部件，最终生 成装配体，实现了整个模型的高度参数化，并根据数据库中的支架结构参数实时更新。 通过对 ZY8700/17/32 型液压支架进行了实例设计，并与传统设计结果进行了比较， 表明该 CAD 设计平台具有一定的参考实用性，该平台同时将数据库管理引入液压支架 的设计过程中，对于液压支架零件的标准化设计提供了一种方法。 关键词液压支架；VB；数据库；优化设计；Solidworks；Matlab 研究类型应用研究 Subject Research on the CAD Design Plat of Hydraulic Support Based on VB Specialty Mechanical manufacturing and automatization Name Lu weifeng Signature Instructor Guo Wei Signature ABSTRACT The hydraulic support is the key equipment in fully mechanized coal face of mechanization of coal mine. This paper is based on the current situation and development trend of domestic and foreign hydraulic support product development, application and design , aimed at the traditional design deficiencies and combined with the current development trend of product design , under VB development environment, take Solidworks design software, Matlab software and ACCESS database as support, adopt object-oriented design to develop the CAD design plat for hydraulic support. The design plat consists of five function modules such as the database module, analog optimization module, overall stress analysis module, strength checking module and 3D parametric module. The database module including the selection of the hydraulic support, the management and application of support technical parameters and structure parameters, at the same time the database module is the link of the modeling module, the structure analyzing module and the simulation analysis module; The optimization module using Matlab and VB mixed programming, take connecting rod force as the objective function to optimize the design of support; The overall stress analysis module process the motion analysis and plane stress analysis of optimized hydraulic support, mainly including the motion track of beam end and instantaneous center, the calculation of connecting rod bearing and bottom plate specific pressure, then the calculation results was output in Excel ; The 3D parametric modeling module utilizes skeleton pattern, the block is created in the sketch layout, the support parts was generated use blocks to eventually generating assembly, The entire model has achieved the highly parametrization, and according to the bracket structure in database the parameter can process the real time update. Through the design of ZY8700/17/32 hydraulic support and compared with the results of the traditional design, indicates that the CAD design plat has certain reference utility, the plat introduce the database management to hydraulic support design process, provides a for standardization design of the hydraulic support parts. Keywords Hydraulic Support; VB; Database; Optimization; Solidworks; Matlab Thesis Applied Research 目 录 I 目 录 1 绪 论 .................................................................................................................................... 1 1.1 引言 .................................................................................................................................. 1 1.2 液压支架的研究现状及发展趋势 .................................................................................. 1 1.2.1 国外液压支架的技术现状 ........................................................................................ 1 1.2.2 国内液压支架的技术现状 ........................................................................................ 2 1.3 选题的意义及研究内容 .................................................................................................. 3 1.4 本章小结 .......................................................................................................................... 4 2 液压支架设计理论 ................................................................................................................. 5 2.1 液压支架用途 .................................................................................................................. 5 2.2 液压支架架型分类 .......................................................................................................... 5 2.3 掩护式液压支架 .............................................................................................................. 7 2.3.1 掩护式液压支架组成 ................................................................................................ 7 2.3.2 掩护式液压支架工作原理 ........................................................................................ 7 2.4 掩护式液压支架运动学分析 .......................................................................................... 9 2.4.1 掩护式液压支架的特点 ............................................................................................ 9 2.4.2 掩护式液压支架的运动学方程 .............................................................................. 10 2.5 掩护式液压支架运静力学分析 .................................................................................... 13 2.5.1 掩护式液压支架受力分析 ...................................................................................... 13 2.5.2 掩护式液压支架底座接触比压计算 ...................................................................... 17 2.6 掩护式液压支架四连杆优化计算 ................................................................................ 18 2.7 液压支架液压元件校核 ................................................................................................ 19 2.7.1 液压支架立柱和千斤顶简介 .................................................................................. 19 2.7.2 支架立柱校核原理 .................................................................................................. 21 2.7.3 千斤顶强度校核原理 .............................................................................................. 24 2.8 本章小结 ........................................................................................................................ 27 3 液压支架 CAD 设计平台总体设计 ...................................................................................... 28 3.1 机械产品设计的流程 .................................................................................................... 28 3.2 支架 CAD 设计平台总体设计 ...................................................................................... 28 3.2.1 设计平台预期目标 .................................................................................................. 29 3.2.2 液压支架 CAD 设计平台构架 ............................................................................... 29 3.2.3 液压支架 CAD 平台软件流程 ............................................................................... 30 3.3 软件开发环境和工具选择 ............................................................................................ 31 目 录 II 3.4 设计软件开发需解决问题 ............................................................................................ 31 3.5 本章小结 ........................................................................................................................ 31 4 液压支架设计平台的实现 ................................................................................................... 32 4.1 数据库模块的设计 ........................................................................................................ 32 4.1.1 数据库模块界面设计 .............................................................................................. 33 4.1.2 液压支架数据库的建立 .......................................................................................... 34 4.1.2 支架数据库与 VB 的链接 ...................................................................................... 35 4.2 优化设计模块 ................................................................................................................ 36 4.2.1Matlab 和 VB 的接口 ............................................................................................... 37 4.3 支架整体受力分析模块 ................................................................................................ 38 4.3.1 基本设计思路 .......................................................................................................... 38 4.3.2 支架运动分析 .......................................................................................................... 38 4.3.3 支架受力分析 .......................................................................................................... 40 4.3.4 底板比压计算 .......................................................................................................... 41 4.3.5 输出报表 .................................................................................................................. 41 4.4 液压元件校核模块 ........................................................................................................ 41 4.5 参数化建模模块 ............................................................................................................ 42 4.5.1 设计原理和软件界面 .............................................................................................. 42 4.5.2 支架模型三维参数化设计 ...................................................................................... 44 4.5.3 模型设计 .................................................................................................................. 45 5 实例与分析 .......................................................................................................................... 47 5.1 软件界面 ........................................................................................................................ 47 5.2 数据库管理 .................................................................................................................... 48 5.3 优化设计 ........................................................................................................................ 48 5.4 整体受力分析 ................................................................................................................ 48 5.5 立柱千斤顶校核 ............................................................................................................ 51 5.6 三维参数化模型 ............................................................................................................ 51 5.7 原支架结构参数与优化结果比较 ................................................................................ 52 5.8 本章小结 ........................................................................................................................ 52 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 53 6.1 结论 ................................................................................................................................ 53 6.2 展望 ................................................................................................................................ 53 致 谢 ...................................................................................................................................... 55 参考文献 .................................................................................................................................. 56 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 引言 液压支架是煤矿机械化综采工作面的关键设备， 也是实现综采机械自动化的重要配 套设备，在回采工作面中，能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防 止矸石进入回采工作面和推进输送机，负担着维护正常的不定期的工作空间、保护人员 及综采设备安全的重要任务[1]。从而保证了综采工作面的高效有序运行。液压支架设计 与加工技术的研究进展直接关系到煤矿开采进度和开采效率[2]。 随着国民经济的高速持续发展，我国对能源的需求日益剧增。煤炭在我国能源的消 费结构中占据了相当大的比重，为了提高综采效率和煤矿产量，国内煤矿综采工作面趋 于高工作阻力、高工作高度、高可靠性的发展，对综采设备性能也提出了更高的要求。 因此，高工作阻力、高工作高度、高可靠性液压支架的研制就显得尤为重要，采用先进 的设计方法进行液压支架进行设计是解决提高支架整体性能最有效的方法。 1.2 液压支架的研究现状及发展趋势 1.2.1 国外液压支架的技术现状 综采工作面的支护技术关系到煤矿生产的产量、安全和效率等问题，因此世界各主 要产煤国家都一直在积极探索采用新方法、新技术，致力于高可靠性、高性能的支护设 备的研究与开发。英国在 1954 年首次研制出液压支架后，通过对液压支架的逐步改进 完善，进而普遍推广应用，使采煤工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护等工序 全部实现了综合机械化[3]。 苏联在 20 世界 60 年代研制的具有四连杆机构的 OMKT 型掩 护式支架，将液压支架的研制带入了一个新的发展阶段。80 年代中期，德国研制出最大 高度为 6m 的掩护式支架，极大地提高了综采工作面的工作效率。美国是世界上最先进 的采煤国家，在 90 年代就已经开始应用额定压力为 50MPa，额定流量为 478L/min 的乳 化液泵站，在综采工作面普遍采用两柱式液压支架，支架平均支护阻力 6470KN，最大 9800KN ，支架中心距 1.75m，最大可达 2m。在工作面支架可快速推进，移架速度 6～ 8s/架。美国和澳大利亚等发达产煤国实现了煤矿的高效集约化生产，不断提高液压支架 的工作阻力和配套装备的装机功率。 目前国外综采液压支架的架型主要为高工作阻力的两柱掩护式支架， 其支护工作阻 力达 600012000kN，支护高度 36m，支架立柱缸径 320480mm,支架中心距 1.752m， 支架控制方式为环形供液及电液控制，支架的降、移、升循环时间小于 10s，支架的寿 西安科技大学硕士学位论文 2 命试验高达 5 万次以上[5]。采用屈服极限 800～1000MPa 的高强度钢板作为支架的结构 材料[6]。支架控制系统与工作面之间实现接口控制，实现了工作面的无人化、遥控化[7]。 目前，国外的液压支架设计自动化程度领先于国内。国外液压支架的设计主要分为 三个步骤[8][9] 1 根据要开采煤矿的地质环境确定液压支架的工作阻力，然后根据工作阻力，在 三维 CAD 软件中修改己经成型的液压支架的参数； 2 在 CAE 软件中对修改后的 CAD 模型进行结构分析； 3 在虚拟样机软件中对液压支架进行动力学及运动学分析。 在国外液压支架设计的过程中，大部分工作是通过计算机来完成的，这样不仅可以 极大的提高设计效率、降低开发成本，同时缩短了设计周期，提高了产品的通用性，而 且还可以通过液压支架数据库对支架资料进行有效的管理。 1.2.2 国内液压支架的技术现状 我国 70 年代末开始大规模引进国外先进的综采设备，近年来通过对国外先进技术 的消化吸收， 液压支架的各方面性能参数、 可靠性、 综合使用性能都有了大幅度的提高。 通过大量的实践和探索，自主开发可以适用于不同煤矿地质条件和采煤方法的液压支 架，主要有 ZY 及 QY 系列、ZYZ 及 ZYQ 系列、大采高液压支架、薄煤层支架、大倾 角液压支架、铺网液压支架等，支架的种类趋于完善[10]。 我国近年研制成功了 12000 型大采高掩护式强力液压支架、ZZ9000 支撑掩护式特 种自行液压支架。2010 年晋煤集团研制成功研发的 7.6 米大采高液压支架，创造了多项 世界第一高度最高、工作阻力最大、护帮高度最高。工作阻力最大 17500KN，护帮高 度最高 3.46 米[11]。虽然国内支架在架型、工作阻力和采高方面均已超过国外[12]。但是 国内液压支架在可靠性、 材料、 控制系统、 液压元件等方面与世界先进国家还存在差距。 今后我国液压支架将朝着高可靠性、 高材料强度、 电液集成控制、 高适用性的方向发展。 国内液压支架的设计分三步首先，根据煤矿地质条件和开采要求确定支架工作阻 力；然后，根据工作阻力和工作高度确定主要的结构尺寸，依据结构尺寸和设计经验确 定出其它零部件尺寸；最后，按照装配关系完成支架的整机装配，并在试验台上对支架 进行压架实验。当发现实验结果不能满足煤矿使用要求时，要对支架的主要结构尺寸进 行重新设计。 与国外先进支架设计技术相比，国内设计手段主要以二维力学模型设计为主，虽然 与传统的平面设计方法过渡快， 与生产加工流程衔接紧密， 但是其固有的缺点难以克服 设计的更新、零件间干涉的检查、模型的修改、产品工程管理问题等等[13]。在设计的过 程中，对模型进行了简化处理，与实体支架有一定的出入，零部件的干涉、运动过程的 仿真、瞬心的轨迹等等均不能在设计阶段反映给设计人员。在压架试验过程中，如果发 1 绪论 3 现实验结果不能满足使用要求时， 要对支架结构重新设计， 严重阻碍了支架的开发效率。 在支架设计过程时，只能进行瞬时力学分析，缺少运动动力学进行分析，因此不了解每 个瞬时支架的力学特性。上述这些问题难以在二维 CAD 中解决。 1.3 选题的意义及研究内容 近年来，为了满足综采工作面对支护设备的需要，国内的煤炭企业、研究机构在液 压支架研究方面做了大量的努力和工作， 目前对于液压支架的结构研究探索主要有以下 几个方面 1 积极探索研制开发新型的液压支架，并取得成效。如文献[14]中的并联机构液压 支架，文献[15]中的六自由度并联机构液压支架； 2 运用新的设计手段，提高液压支架的适用性、可靠性，并降低设计成本。如利 用三维 CAD 软件建立三维实体模型、模拟支架的装配、支架的运动仿真、零部件干涉 检查等，利用有限元分析软件对支架进行整机的模拟分析，利用运动分析软件对支架进 行动力学仿真等； 3 尝试开发专业的液压支架设计分析计算机平台，如基于 CAD/CAE/CAM 等集成 软件的支架设计平台研究等，由于各个软件之间缺少包容性和协调性，以及模型之间数 据接口等问题，使得 CAD/CAE/CAM 还不能完全集成于一个开发平台。 在本课题准备阶段，前往平顶山煤机厂调研，听取设计人员意见，针对目前支架设 计过程中利用已有架型参考设计时设计效率低，缺乏相应的支架数据库管理等问题，从 液压支架实际应用为出发点，针对传统支架设计的不足，在 Visual Basic 集成开发环境 下探索开发用于支架设计的专