薄煤层液压支架的虚拟样机分析.pdf

论文题目 薄煤层液压支架的虚拟样机分析 作者姓名医旭 领域名称扭械王捏 指导教师鲑佩思 置立盐 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间垄Q 至兰生2 且 研究方向先进遮让皇剑造技本 职 称敛援 高级工程娅 且且且 4 5 6 一 生笙笙 5 5 5 1 1 1 1 1 0 0 0 一} ⅥR T U A LP R O T O T Y P EA N A L Y S I SO FT H I NC O A LS E A M H Y D R A U L I CS U P P O R T AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y C h e nX U S u p e r v i s o r P r o f e s s o rZ h o n g P e i s i C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g A p r i l2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 硕士生签名 日 A F F I R M L 订I o N 储、砂 如心．‘．／o Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ,s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ， i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e ， J， 洲加叉认 ≯他占．／o 。 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的 矿山设备，能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序；是煤矿综采工作面装 备中最重要的技术装备，对综采工作面实现高效、高产起着决定性的作用。随着煤矿行 业的快速发展和市场竞争的不断加剧，产品的开发速度逐渐成为最具有挑战性的因素； 虚拟样机技术在工程机械行业的成功应用不仅改变了传统机械开发周期长、成本高、产 品老化的缺点，而且改善了产品的设计方法，提高了产品的市场竞争力，对工程实际有 重要的影响。 本文通过分析虚拟样机技术的特点，以薄煤层两柱掩护式液压支架为研究对象，从 多方面开展了基于虚拟样机技术的液压支架仿真分析研究。根据液压支架的工作特点和 组成结构，分析支架外载荷特性，确定液压支架的总体设计方案。利用三维建模软件， 建立液压支架主要零部件的三维模型，并进行虚拟装配得到液压支架整体三维模型。将 液压支架三维模型连接到A N S Y SW o r k b e n c h 中，根据对支架外载荷的特性分析和液压 支架损坏原因的分析，对液压支架进行不同工况的静力学有限元分析，得出不同工况下 的应力及应变规律，找到液压支架最容易破坏的位置，并对支架原有的结构进行改进。 通过对液压支架虚拟样机的运动仿真检验支架的设计方案，从而确定支架合理的运动轨 迹和运行速度。利用A M E S i m 软件对支架进行液压系统仿真分析，检测支架液压系统的 压力损失，为支架更好进行的整体动态特性分析和支架设计提供参考。 关键词薄煤层液压支架，虚拟样机，有限元分析，运动仿真，液压系统仿真 山东科技大学硕士学位论文摘要 A B S T R A C T H y d r a u l i cs u p p o r ti sah i g hp r e s s u r el i q u i da sp o w e r ，i ti sm i n i n ge q u i p m e n tc o m p o s e do f h y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n dh a r d w a r et os u p p o r ta n dc o n t r o lt h er o o f , i ti sas e to fp r o c e s s e so f r e a l i z i n gs u p p o r t ，c u tt h et o p ，m o v ea n dc h a n g ec o n v e y o ra n dS Oo n ；I sm o s tu s e di nc o a lm i n e f u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n gf a c ee q u i p m e n t ，w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i c a le q u i p m e n t ，i t p l a y sad e c i s i v er o l ei na c h i e v i n gh i g he f f i c i e n c y ，h i g hy i e l do ff u l l ym e c h a n i z e dw o r k i n g f a c e ．W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o a li n d u s t r ya n dt h em a r k e tc o m p e t i t i o ni n t e n s i f y i n g ，t h e s p e e do fp r o d u c td e v e l o p m e n th a sg r a d u a l l yb e c o m et h em o s tc h a l l e n g i n gf a c t o r ；T h e s u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi n d u s t r yh a s n o to n l yc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld e v e l o p m e n tc y c l ei sl o n g ，t h es h o r t c o m i n g so f h i g hc o s ta n da g i n gp r o d u c t s ，a n di m p r o v et h ed e s i g nm e t h o do fp r o d u c t s ，i m p r o v et h em a r k e t c o m p e t i t i v e n e s so fp r o d u c t s ，a n dh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ． I nt h i sp a p e r ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ， w i t hT w oc o l u m ns c r e e nt y p eh y d r a u l i cs u p p o r ta st h er e s e a r c ho b j e c t ，c a r r yo nt h es i m u l a t i o n o ft h eh y d r a u l i cs u p p o r td e s i g nb a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yr e s e a r c ho ns e v e r a l a s p e c t s ．A c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs u p p o r ta n ds t r u c t u r e ，a n a l y s i s o ft h es u p p o r tl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，d e t e r m i n et h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo fh y d r a u l i cs u p p o r t ． B yt h e3 - dm o d e l i n gs o f t w a r e ，e s t a b l i s ht h e3 - dm o d e lo ft h em a j o rp a r t so ft h eh y d r a u l i c s u p p o r t ，a n dv i r t u a la s s e m b l yf o rt h ew h o l eh y d r a u l i cs u p p o r t3 - dm o d e l ．C o n n e c tt h e h y d r a u l i cs u p p o r t3 - dm o d e li nA N S Y SW o r k b e n c h ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x t e r n a ll o a da n a l y s i so ft h ec a u s eo fd a m a g eo fh y d r a u l i cs u p p o r t ， h y d r a u l i cs u p p o r tf o rs t a t i c f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ．I ti s c o n c l u d e dt h a tl a wo fs t r e s sa n ds t r a i nu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，f i n dt h el o c a t i o no f t h eh y d r a u l i cs u p p o r ti st h em o s te a s yt od e s t r o y ，a n dt oi m p r o v et h es u p p o r tt h eo r i g i n a l s t r u c t u r e ．B a s e do nt h eh y d r a u l i cs u p p o r td e s i g ns c h e m e sf o rt h ev i r t u a lp r o t o t y p eo ft h e m o t i o ns i m u l a t i o nt e s t ，t od e t e r m i n er e a s o n a b l et r a j e c t o r ya n dt h es p e e do ft h es u p p o r t ．F i n a l l y ， t h r o u g hA M E S i ms o f t w a r et os u p p o r th y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o na n a l y s i s ，t e s t i n gs u p p o r t t h ep r e s s u r el o s so fh y d r a u l i cs y s t e m ，t ob e t t e rt h eo v e r a l ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sa n d s t e n td e s i g nt op r o v i d et h er e f e r e n c e ． K e y w o r d s t h i nc o a ls e a n lh y d r a u l i cs u p p o r t ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p e ，t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，m o t i o ns i m u l a t i o n ，s i m u l a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 、 1 ．3 液压支架发展及国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 存在主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．5 本文主要研究工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 薄煤层液压支架的方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 液压支架工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 液压支架主要尺寸的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 液压支架四连杆机构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 薄煤层液压支架设计与三维建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2Z Y 2 8 0 0 ／O ．8 ／15 掩护式液压支架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．3 主要结构与建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．4 液压支架的虚拟装配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 液压支架静力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．2 有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4 ．3 载荷方式的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 有限元模型加载方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．5 有限元模型的求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 山东科技大学硕士学位论文目录 5 液压支架运动仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 液压支架运动仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 6 支架液压系统的仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．2 液压系统模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．3 液压系统仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 7 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 7 ．1全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 7 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 4 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1 I n t r o d u c t i o n ．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．1 1 ．1 B a c k g r o u n do f t h eR e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2T h eA i ma n dS i g n i f i c a n c eo f d i s s e r t a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1 ．3 R e v i e w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．； 1 ．4T h eE x i s t i n gP r o b l e m s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．5M a i nR e s e a r c hC o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2T h e d e s i g no fh y d r a u l i cs u p p o r t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．9 2 ．1 I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2T h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h eh y d r a u l i cs u p p o r t ⋯⋯⋯．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2 ．3T h ed e t e r m i n a t i o no f m a i nd i m e n s i o n so nt h eh y d r a u l i cs u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．1 4 2 ．4T h ef o u rb a rl i n k a g eo f h y d r a u l i cs u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．5 S u m m a r y ．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 4 3T h e d e s i g na n d3 Dm o d e l i n go f h y d r a u l i cs u p p o r t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 5 3 ．1 I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2Z Y 2 8 0 0 ／0 ．8 ／1 5S c r e e nt y p eh y d r a u l i cs u p p o r t ⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯．．2 5 3 ．3T h em a i ns t r u c t u r ea n dm o d e l i n g ．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．．2 6 3 ．4T h ev i r t u a la s s e m b l yo f h y d r a u l i cs u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．5 S u m m a r y ．⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 0 4T h es t a t i c sa n a l y s i so fh y d r a u l i cs u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．1 I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3l 4 ．2T h ee s t a b l i s h m e n to f t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3l 4 ．3T h ed e t e r m i n a t i o no fl o a dm o d e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．4 L o a d i n gw a y so f t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．5 S l o v i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．⋯．3 6 4 ．6 S u m m a r y ⋯⋯．⋯．．．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 5T h em o v e m e n ts i m u l a t i o no f h y d r a u l i c s u p p o r t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 7 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．1I n t r o d u c t i o n ．．．⋯．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．⋯．．．⋯．．．．．．⋯．．．⋯⋯．．．．．⋯．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．．⋯4 7 5 ．2T h em o v e m e n ts i m u l a t i o no f h y d r a u l i cs u p p o r t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 7 5 ．3 S u m m a r y 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．2 P r o s p e c r s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．5 8 A c k n o w l e d g e m e n t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 9 R e f e r e n c e s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 1 0 I S c i e n t i f i cR e s e a r c ha n dP u b l i s h e dP a p e r s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 4 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 煤炭科学技术的不断发展，促使煤炭开采工艺和装备水平不断提高；液压支架作为 矿山机械中比较复杂的机械，它与采煤机、刮板输送机和液压泵站配套使用，从而实现 煤矿综合机械化采煤。液压支架在煤矿综采过程中有极其重要的作用，是煤矿机械不可 缺少的设备，它保证煤矿的安全生产，同时，其技术水平是煤机装备发展的重要标志【1 1 。 本文分析了液压支架的发展变化，根据薄煤层的特点设计了薄煤层液压支架，利用三维 建模软件建立支架的虚拟样机模型，通过对支架进行有限元分析、运动仿真以及液压系 统的仿真分析，对薄煤层液压支架的设计进行评价和改进。 1 ．1 研究背景 煤炭是世界主要能源之一，我国的主要能源是以煤炭为主。我国煤炭储量丰富，其 中厚煤层占很大比例，而中厚煤层中缓倾斜厚煤层的煤炭产量占总产量的4 0 ％以上【l 】。 但是，在我国煤矿工业中，煤炭的可开采储量占有比例最大的是薄煤层煤炭的储量。 目前，我国的综采技术已经发展到比较成熟的阶段，无论是对中厚煤层和厚煤层的 开采技术，还是对放顶煤的开采技术【2 】。近年来，随着国内外综合机械化开采的迅速发 展，使得综合机械化采煤成为煤矿开采现代化的重要标志【3 】。但是，因为煤炭工业的不 景气，许多煤矿企业为了提高自己的经济效益，进而对中厚煤层和厚煤层进行优先开采， 造成生产可持续性和资源开采不平衡的矛盾更加显著【。】。由于煤炭是不可再生资源，开 采条件较好的中厚煤层的过度开采，会导致煤炭资源的逐步枯竭；所以，为保证煤炭工 业的可持续性发展，各煤矿企业急需解决的是煤矿薄煤层的开采问题。因为，薄煤层的 煤层开采高度小，工作面空间狭窄，而且工作情况比较复杂；此外，由于薄煤层的煤层 厚度变化比较大，工作面长度短；所以，对薄煤层开采时需要调高范围大、强度高、适 应性好的液压支架对综采工作面进行有效支护。 薄煤层液压支架作为综采工作面的重要支护设备，它的主要作用是支撑顶板、保障 作业安全、推移工作面的综采设备。因此，薄煤层液压支架的研究对保证煤矿的安全生 产与经济效益有重要意义。但是，我国传统工程机械行业的产品开发周期长、成本高， 些查型垫奎堂堡主兰垡堡茎 丝丝 导致产品老化严重，缺乏市场竞争力，也在一定程度上限制了煤炭工业的发展。所以， 虚拟样机的发展不仅可以改善产品的设计方法，还能够缩短产品的设计周期，对于工程 实际有着重要的影响【5 】。 虚拟样机 V i r t u a lP r o t o t y p i n g 是利用计算机仿真技术建立一个代替物理样机的等 效数字模型，并对该数字模型的方案设计进行测试和评价，最后反映产品的几何外形、 尺寸结构以及运动学等综合特性，它对产品从概念设计到最终检验有极其重要的作用【5 】。 1 9 9 5 年F a n D a i [ 6 l 把虚拟样机定义成是一种快速评价各种物理产品设计的方法，即通过将 虚拟现实技术和计算机仿真技术以及三维模型技术相结合，构建一个与物理样机等效的 数字化模型；B o w 2 y e r [ 7 1 研制了一种桌面型虚拟样机钻床操作系统；S c h u l z t 8 】等人通过虚 拟样机技术对金属板的变形过程进行了研究，从而得出了金属板残余应力和厚度的大致 分布。目前，虚拟样机已经广泛应用于机械电子领域、汽车制造业以及航空航天和武器 设计等方面【9 1 。虚拟样机技术的应用使产品在计算机上通过虚拟模拟的方式进行设计和 检验，设计周期短，模拟数据可以快速反馈到设计环节并对产品进行改进，降低了产品 设计的费用；而且，通过对虚拟样机进行多种危险性或破坏性试验，可以设计制造出质 量更高，可靠性更好的产品，以此增强市场竞争力，使产品占据更多的市场份额，最终 增加经济效益。 1 ．2 研究目的与意义 液压支架是由金属结构件和若干液压元件构成并且以高压液体为动力的可以可靠而 有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止煤矸石落入回采工作面以及推进采 煤机和输送机的矿山支护设备；能实现支撑、切顶、移架和推移采煤机、输送机等一整 套工序；是煤矿综采工作面装备中使用最多的设备，也是最重要的技术装备【l o 】。它与采 煤机配套使用，改善和提高了采煤和运输设备的效能，减轻了煤矿工人的劳动强度，对 综采工作面实现高效、高产起着决定性的作用【l l 】。 经过多年的发展，我国的液压支架设计与制造取得了重大突破，研制开发出可适应 不同环境和工况条件下的各种类型液压支架，基本上满足了国内大部分矿区煤炭开采需 要。但是，与国际采矿业的先进技术水平相比，我国煤矿综采工作面的生产能力还处于 比较落后的情况，尤其是薄煤层的综采生产能力，仍然在一个较低水平上徘徊【坦】。世界 上许多发达国家实现了薄煤层的自动化开采技术，从而大大增加了薄煤层煤炭的开采产 2 坐查型垫奎堂堡主堂垡丝茎些丝 量【1 3 】。为了提高我国薄煤层开采产量，摆脱目前落后的状况，不仅要充分了解国际采煤 技术的发展趋势，而且要不断引进和吸收国外先进设备和成功经验，更要自主创新，发 展先进科学技术，从而不断提高和完善煤矿机械的制造水平和设计经验。本文就是为研 究薄煤层液压支架不同工况下的受力分析，通过对结果的分析，对支架的结构设计提出 建议，为薄煤层开采的自动化的实现提供技术参考。 本次设计是利用C r o e 2 ．0 软件对液压支架建立虚拟样机模型，利用A N S Y S W o r k b e n c h 有限元分析软件对液压支架进行整体模拟计算，通过对计算结果的分析，得 出液压支架结构件的应力分布特点和变形规律，同时对液压支架进行运动模拟仿真和液 压系统的仿真，从而对支架进行更好的整体的动态特性分析。所以，虚拟样机技术的在 工程机械行业的应用不仅可以缩短产品的设计周期、节约成本，而且通过对虚拟样机的 分析还可以