基于多领域统一建模的液压支架建模与仿真.pdf

At h e s i ss u b m i t t e dt o Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fM a s t e r lg5 98 96 M o d e l i n ga n dS i m u l a t i o no fH y d r a u l i cS u p p o a B a s e do nM u l t i d o m a i nU n i f i e dM o d e l i n g ，．，．⋯。B y L o n g Y u S u p e r v i s o r P r o f ．D o n g c h e nQ i n ’’。L e c t ．H o n g x i aW u M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y S c h o o lo fM e c h n a i c a lE n g i n e e r i n g M a y 2 0 10 原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者 彳舷 日期 乃／口年莎月了日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者，．备龙 日期 沙／易年∥月夕日 摘要 摘要 液压支架是煤矿综采技术中的关键设备之一。随着现代化采煤技术的发展， 对液压支架设计的要求也越来越高，越来越注重于综合性能的完善和提高。本 课题旨在将多领域统一建模技术应用于液压支架的设计分析中，以此探索一种 新的设计手段，提高设计效率和产品性能。 本文在P r o ／E N G I N E E R 软件中建立了液压支架的三维实体模型，利用 P r o ／E N G I N E E R 和A D A M S 的接口模块M e c h a n i s m ／p r o 将三维实体模型导入到了 A D A M S 中，建立了液压支架的多体动力学模型。提取出了液压支架立柱回路的 液压原理图，对其进行了等效处理，建立了立柱液压回路的液压模型。通过对 液压支架进行了动力学预分析，得到了支架升架时两级液压缸所应输出的力。 在A D A M S 。平台下，构建了液压支架的多领域统一模型，并完成了运动学分析 和动力学仿真分析。 利用P r o ／E N G I N E E R 软件建立了液压支架的三维实体模型，并进行了虚拟 装配与干涉检查；通过M e c h a n i s m ／p r o 接口模块文件实现了三维模型向A D A M S 的数据传递，建立了液压支架的多体动力学模型。 采用A D A M S 中液压系统的建模理论和方法，提取了液压支架的立柱回路， 并进行了等效处理，建立了立柱回路的液压模型，并与先前的机构模型耦合得 到了液压支架的多领域统一模型。 基于液压支架的多领域统一模型，完成了液压支架的运动学分析、动力学 分析，得到了支架的总体性能参数，为液压支架的设计提供了一种精度较高的 分析方法。 本课题的研究为液压支架的设计和研究提供了一种有效和可行的方法，具 有较高的指导意义和参考价值。 关键词液压支架多领域统一建模A D A M S ／H y d r a u l i c s P r o ／E N G I N E E R A b s t r a c t A b s t r a c t H y d r a u l i cs u p p o r ti so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t si nt h em e c h a n i z a t i o nm e t h o do f c o a lm i m n g ．W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r nc o a lm i m n gt e c h n o l o g y , t h e r e q u i r e m e n tf o rh y d r a u l i cs u p p o r td e s i g ni sm o r ea n dm o r eh i g h ．A n dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o ni sf o c u s e do nt h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ．T h i s p r o j e c ts e e k st oa n a l y z ea n dd e s i g nt h eh y d r a u l i cs u p p o r tb a s e do nm u l t i d o m a i n u n i f i e dm o d e l i n gt oe x p l o r ean e w d e s i g nm e t h o d ，a n de n h a n c et h ed e s i g ne f f i c i e n c y a n dt h ep r o d u c t ’Sp r o p e r t y ． T h et h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ti se s t a b l i s h e di n P r o ／E N G I N E E Rs o f t w a r e ．T h em o d e li si m p o r t e di nA D A M Sb yt h ei n t e r f a c eo f P r o ／E N G I N E E Ra n dA D A M S T - - M e c h a n i s m ／p r o ．T h em u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c m o d e lo fh y d r a u l i cs u p p o r ti sc o n s t r u c t e d ．T h eh y d r a u l i cs c h e m a t i co ft h ec o l u m n c i r c u i ti se x t r a c t e do u ta n dt h ee q u i v a l e n tt r e a t m e n ti sc a r r i e do u t ．T h eh y d r a u l i c m o d e lo ft h ec o l u m nc i r c u i ti se s t a b l i s h e d ．T h ed y n a m i cp r e - a n a l y s i si ss i m u l a t e da n d t h eo u t p u tf o r c eo f2 - c y l i n d e ri so b t a i n e dw h e nt h eh y d r a u l i cs u p p o r ti sr i s e n ．T h e m u l t i d o m a i nu n i f i e dm o d e li se s t a b l i s h e di nA D A M Sp l a t f o r m ．T h ek i n e m a t i ca n d d y n a m i ca n a l y s i si sc o m p l e t e d ． T h et h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ti se s t a b l i s h e di n P r o ／E N G I N E E Re n v i r o m e n t ．T h ev i r t u a la s s e m b l ya n di n t e r f e r e n c ec h e c ko ft h e h y d r a u l i cs u p p o r ta r ea c h i e v e di nP r o ／E N G I N E E Rp l a t e f o r m ．T h ep r o j e c tr e a l i z e st h e d a t at r a n s m i tb e t w e e nt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e la n dt h eA D A M Sm o d e l ． T h eh y d r a u l i cm o d e li se s t a b l i s h e dw i t ht h em o d e l i n gt h e o r ya n dm e t h o do f A D A M S ／H y d r a u l i c s ．T h eh y d r a u l i cs c h e m a t i co ft h ec o l u m nc i r c u i ti se x t r a c t e do u t a n dt h ee q u i v a l e n tt r e a t m e n ti sc a r r i e do u t ．T h eh y d r a u l i cm o d e lo ft h ec o l u m nc i r c u i t i se s t a b l i s h e d ．T h eh y d r a u l i cm o d e li sc o u p l e dw i t ht h em e c h a n i s mm o d e lt h a ti s e s t a b l i s h e di nt h ep r e v i o u ss e c t i o na n dt h em u l t i d o m a i nu n i f i e dm o d e lo fh y d r a u l i c s u p p o r ti ss e tu p ． T h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i s i s c o m p l e t e d o nt h eb a s i so ft h e m u l t i d o m a i nu n i f i e dm o d e l ．T h ef u l lp e r f o r m a n c ep a r m e t e r so fh y d r a u l i cs u p p o r ta r e 玎 o b t a i n e d ．Am o r eh i g hp r e c i s i o na n a l y s i sm e t h o df o rt h eh y d r a u l i cs u p p o r td e s i g ni s o f f e r e d ． T h ep r o j e c tr e s e a r c hp r o v i d e sa l le f f e c t i v em e t h o df o rt h eh y d r a u l i cs u p p o r t d e s i g na n dar e l i a b l er e f e r e n c ef o re n t e r p r i s ep r o d u c t i o n ．T h er e s e a r c hh a st h e c o m p a r a t i v e l ys i g n i f i c a n td i r e c t i o na n dt h er e f e r e n c ev a l u e ． K e yw o r d s h y d r a u l i cs u p p o r t ； m u l t i d o m a i nu n i f i e d m o d e l i n g ； A D A M S ／H y d r a u l i c s ；P r o ／E N G I N E E R - I I I 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ．．⋯．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．⋯．．⋯．．．⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．Ⅳ l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题的研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外液压支架研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。三⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 本课题的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 本课题研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 液压支架的受力分析和液压特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 液压支架的工作原理和分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．1 液压支架的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．2 液压支架的分类及各架型的适用范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 ．2 液压支架的平面受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 液压支架的空间力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l 2 ．4 液压支架的液压系统特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l6 2 ．4 ．1 液压系统的基本要求和组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．4 ．2 支架液压系统的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，j ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 液压支架的多领域统一建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．1 液压支架机构模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 ．1 建模软件的选择和各零部件的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 i v 目录 3 ．1 ．2 模型的装配和干涉检查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 5 3 ．1 ．3 将模型导入到A D A M S 中⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 液压系统模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．1A D A M S ／H y d r a u l i c s 的功能和特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 3 ．2 ．2 元件建模机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．2 ．3 工作环境的设置和各元器件的建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 2 3 ．3 立柱回路液压模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．3 ．1 立柱液压回路的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．3 ．2 液压系统模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“ 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 液压支架的运动学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 I 4 ．1 约束和驱动的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 支架的运动学仿真和结果分析⋯．⋯⋯．■⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 0 S ．液压支架耦合模型的动力学仿真分析一⋯⋯⋯⋯一‰⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 5 ．1 动力学仿真预分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 5 ．2 液压支架耦合模型的动力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 个人简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 V 图和附表清单 图2 ．1 液压支架的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 图2 ．2 支架的工作特性曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 图2 ．3 两柱支顶掩护式支架平面受力图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 图2 ．4 垫块位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 图2 ．5 两柱支项掩护式支架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 图2 ．6 两柱支项掩护式支架顶梁、掩护梁受力图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 图2 ．7 两柱支顶掩护式支架底座受力图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 图2 ．8 液压回路原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 图3 ．1 仿真模型建立步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 l 图3 ．2 骨架模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 图3 ．3 底座⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 4 图3 ．4 前连杆．．_ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 图3 ．5 后连杆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 图3 ．6 掩护梁⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 图3 ．7 顶梁⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 图3 ．8 拖动对话框a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 图3 ．9 拖动对话框b ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 图3 ．1 0 最低位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 图3 ．1 1 最高位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 图3 ．1 2 干涉检查结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 图3 ．1 3 生成a v i e w 文件时的提示框⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 表3 ．1A D A M S ／H y d r a u l i c s 的功能和特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．3 0 图3 ．1 4 元件建模的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 表3 ．2 三位四通换向阀端口类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 表3 ．3 液压缸2 的端口类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 图3 ．1 5 立柱回路液压原理图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 图3 ．1 6 液压回路模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 图4 ．1 机构简图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 图4 ．2 添加约束和驱动后的模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 图4 ．3 运动学模型检验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 图4 ．4 项梁前端点轨迹⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 图4 ．5 支架高度变化曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 图4 ．6 顶梁前端水平位移偏移量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 表5 ．1 三种积分方式的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 图5 ．1m o t i o n1 预分析变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 图5 ．2m o t i o n2 预分析变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 图5 ．3 一级液压缸基本参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 图5 ．4 二级液压缸基本参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 图5 ．5 安全阀基本参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 图5 ．6 支架高度变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 图5 ．7 支架水平方向位移变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 图5 ．8 前连杆角度变化曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 图5 ．9 立柱下柱窝处各方向受力图⋯．．．．．，．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 图5 ．1 0 立柱上柱窝处各方向受力图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 图5 ．1 1 一级液压缸速度曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 图5 ．1 2 二级液压缸速度曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 图5 ．1 3 一二级液压缸位移曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 图5 ．1 4 安全阀各端口压力变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 图5 ．1 5 单向阀各端口压力变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 图5 ．1 6 换向阀各端口流量变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 图5 ．1 7 一级缸实际输出力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 图5 ．1 8 二级缸实际输出力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 2 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的研究背景 本课题来源于2 0 10 年河南省科技攻关项目“液压支架的数字化设计平台开 发“ 课题编号1 0 2 1 0 2 2 1 0 0 8 5 ，是该课题的主要研究内容之一。 随着中国经济的快速增长，中国对能源的需求必将强劲上涨。工业信息化 进程不断加快，尤其是重工业对能源的需求不断提出新挑战。2 0 0 9 年中国一跃 而成为世界上第一大能源生产国，同时继续保持能源第二大消费国的地位，发 改委预测中国在2 0 1 0 年后将超越美国而成为世界上的第一大能源消费国，但代 价是中国也即将成为世界上最大的污染国。能源供应的持续增长，为经济社会 发展提供了重要的支撑；能源消费的快速增长，也为世界能源市场创造了广阔 的发展空间。国内外多家研究机构对中国未来能源需求展望，到2 0 2 0 年我国能 源需求总量的范围在2 2 , - , 3 2 亿吨标煤之间。 中国不仅仅是一个能源需求大国，更为重要的是中国还是一个能源生产大 国，自身能源供应潜力很大，解决中国经济增长的能源需求将主要立足于国内。 而我国是一个多煤少油的国家，已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的3 3 ．8 ％， 可采量位居第二，产量位居世界第一位，出口量仅次于澳大利亚而居于第二位。 煤是中国第一大能源，据统计，中国能源7 0 ％来自于煤，煤在中国能源的地位 短期内无可替代。因此，如何获取如此丰富的煤炭资源，尤其是如何提高煤的 年产量就成为当前要解决的关键问题。 ⋯ 另一方面，我国长期以来坚持“以人为本一的原则，在追求高产高效的同 时，煤矿安全始终是二个不可忽视的问题，每年发生的沉痛矿难事件给我们留 下了深刻的记忆’。尽管近年来中国煤矿事故的死亡人数和百万吨死亡率有所下 降，但和发达国家相比还有很大差距。安监总局提供的数据显示，2 0 0 6 年中国 煤矿事故的死亡人数已从上世纪9 0 年代平均每年7 0 0 0 多人，下降到4 7 4 6 人； 百万吨死亡率从2 0 0 0 年的5 ．7 7 下降到2 ．0 4 1 。占中国煤矿产量l ／3 的乡镇煤矿， 事故死亡人数占全部煤矿事故死亡人数的2 ／3 ，乡镇煤矿百万吨死亡率是全国平 均水平的两倍。联合国开发计划署指出，中国煤矿百万吨死亡率是印度、俄罗 斯的7 倍，是美国的7 0 倍。 l 绪论 根据我国社会发展的需求，要把我国建设为“资源节约型，环境友好型’’ 的社会，煤炭工业正面临着历史性的挑战与机遇，经历着关键性的转变【1 1 。2 0 1 0 年1 月，产煤大省山西省迈出了煤矿企业兼并重组的第一步，并取得了重大的 阶段性成果，矿井数由2 6 0 0 座压减到10 5 3 座，7 0 ％的矿井规模达到9 0 万吨／年 以上，3 0 万吨／年以下的小煤矿全部淘汰，平均单井规模由3 0 万吨／年提高到1 0 0 万吨／年以上，保留矿井将全部实现机械化开采。这为煤矿机械化综采向全国的 推广打下了坚实的基础。新时期我国煤炭工业发展的方向将朝着高产、高效、 安全、洁净、结构优化的方向前进。 在上述背景和要求下，大力推广高产高效的煤矿综采技术已经成为未来的 发展趋势。其中，煤矿井下支护问题始终是困扰着煤矿高产高效、安全生产的 重要问题。支护设备是影响采煤量的主要因素之一，而液压支架在其中占着相 当重要的地位。实践表明，液压支架具有支护性能好、强度大、移架速度快、 安全可靠等优点。液压支架与刮板输送机和采煤机配套使用组成综合机械化采 煤设备，实现采煤的自动化生产线作业，它的应用对增加采煤工作面产量、提 高劳动生产率、降低生产成本、减轻工人劳动量和保证安全生产是不可缺少的 有效措施。 1 ．2 国内外液压支架研究现状 液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属结构件组成的支护和 控制顶板的设备，它的主要作用是支护采场项板，维护安全作业空间，推移工 作面采运设备，实现支撑一切顶移架推移输送机等一整套工序【2 】。 液压支架的发展主要经历了以下几个阶段，2 0 世纪5 0 年代主要是支撑式支 架，以法国研制的节式支架和英国研制的垛式支架为典型代表，开辟了采煤工 作面支护设备的技术革命；6 0 年代主要是掩护式支架，以前苏联研制并改进的 O M K T 型支架为典型代表；’且已具有初步的四连杆机构，进入了液压支架设计 和创新的新时代；7 0 年代主要是“立即支护“ 方式的液压支架；8 0 年代以来， 世界主要产煤国家致力于高性能、高可靠性的新一代重型液压支架的研制，在 自动化程度和液压控制性能方面都有了大幅度的提高，如美国、澳大利亚的大 部分长壁工作面都采用了电液控制技术，可对液压支架的各种动作功能进行多 种方式的程序控制和性能监测【3 】。9 0 ％以上的美国长壁综采工作面使用了电液控 2 l 绪论 制两柱掩护支架，其额定工作阻力最高可达9 8 0 0 k N ，初撑比为O ．7 0 ．8 5 M P a ， 移架循环时间大多小于1 0 s ，平均移架速度达到6 - - 8 s ／架。 2 1 世纪是以网络信息化为代表的高科技迅猛发展新时期。就煤炭综采而言， 国外主要产煤国家从未停止过对液压支架的技术投入。美国、德国、澳大利亚 等国家在井下开采中大力提高机械化和自动化程度，所有的工程部门都拥有 C A D ／C A M 等工程软件组成的强大工作站，进行仿真和压力分析，其高可靠性设 计和有限元分析等理论得到了普遍应用。国外液压支架的特点和先进性主要体 现在工作阻力大、可靠性高、支护强度高；架型结构简单，适应性强，便于实 现自动化控制；一次采全高液压支架主要集中为二柱掩护式和整体顶梁形式；‘ 控制方面主要是电液控制。世界先进国家的液压支架已广泛采用电液控制系统， 如美国使用电液控制的比例已接近1 0 0 ％，澳大利亚、南非占6 0 ％左右，德国占 3 0 ％，而且这些国家新装备的工作面几乎全部采用电液控制系统。电液控制的 液压支架已经成为国际上高产高效工作面的主要特征之一，是未来液压支架控 制系统的主要发展方向。 和国外相比，我国液压支架起步较晚，是在2 0 世纪7 0 年代，通过引进、 消化、吸收，逐步发展起来的。经过3 0 多年的探索和技术攻关，目前已经研制 开发出了能满足不同需求的各种类型的液压支架，可适合中厚煤层一次采全高、 厚与特厚煤层分层开采及放顶煤开采、薄煤层开采和倾斜煤层开采工艺的综采 技术装备，架型丰富，系列齐全，主要有Z F 、Z Y 、Z Q Y ／Z J 、z z 、Z H 等系列， 载荷范围1 2 0 0 - - 1 5 0 0 0 k N 、采高范围0 ．6 - - 6 ．5 m 。煤矿综合机械化采煤技术有了很 大的提高，仅“十五”期间，我国重点煤矿采煤机械化程度已达到8 5 ％，综采 程度超过7 0 ％，综采工作面年产量平均约1 ．1 M t 。个别企业的整体技术性能和适 用可靠性均达到国际先进水平，．在竞标中能够战胜如德国D B T 公司、美国J O Y 公司、I M M 国际煤机公司等知名企业【4 】。如近年来，郑煤机集团创造了多项世 界“第一“ 支架总产量世界第一、支架工作阻力和最大支护高度世界第一。郑 煤机集团在液压支架领域的技术研发和攻关，大大提升了我国煤矿综采装备制 造业的整体技术工艺水平，全面打破了德国D B T 、美国J O Y 两家世界煤机巨头 对我国高端液压支架市场的垄断。 经过3 0 多年的发展和努力，我国液压支架的设计和制造水平在不断提高， 特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了丰富的经验，架型已基本趋于 成熟、完善，在品种和质量方面与国际先进水平相比，差距越来越小。但在控 3 l 绪论 制元件和控制系统方面，与先进国家的产品相比还有较大差距。如我国的液压 支架主要为手动杠杆机械控制，而国外已广泛采用电液控制系统。同时支架供 液系统及元器件寿命和国外相比还相差很远。因此，今后我国的液压支架的设 计应朝着技术含量大、钢板强度高、移架速度快 6 - - 一8 s ／架 和电液控制阀的方 向发展【5 】。大大增加两柱掩护式支架的比重，增大立柱的缸径，广泛使用端头支 架、轻放多用途液压支架“， 伴随着计算机技术取得的长足进步，目前国内外都将先进的计算机技术和 传统的手工设计相结合，尤其是将虚拟样机技术引入到支架的研究当中，不再 局限于传统的手工计算，克服了费时耗资的缺限，如目前常用的方法是先建立 支架的三维实体模型，然后再借助于力学分析软件，如A N S Y S 或A D A M S 进行 运动学和动力学仿真，以初步验证设计的合理性和应用性，并为进一步的改进 提供合理的参考。在这方面，我国煤炭科学研究总院还自主开发了一套液压支 架模拟试验软件系统- s S T S 系统，郑煤机集团和高校联合开发了一整套液压 支架设计平台，并已经投入了使用，经过测试达到了满意的效果。 1 ．3 本课题的研究意义 随着产品复杂程度的不断提高，以及人们对产品各项性能的日益重视，使 得产品在设计过程中越来越多地需要考虑产品的整体性能，。在满足总的要求的 同时还要尽量提高一些细节上的性能，诸多单一的机械产品已向机、电、液、 控集成的复杂产品发展，传统的将各领域隔裂开的研究方法已经实现不了过多 的要求了，势必要求将各个单一的领域综合在一个框架下进行考虑来完成，多 领域统一建模与仿真技术将成为解决此类复杂产品的一项关键技术【6 】。国外近几 年这方面发展速度较快，可视化建模与仿真的系统研究与应用进展迅速，如 A C S L ，E A S Y S ，S y s t e m B u i l d 和S i m u l i n k 。另一些用于专业工程领域建模仿真 系统有多刚体系统动力学仿真 A D A M S 和化学过程仿真 A S P E N P l l l s 等。 但是这些软件在处理涵盖多领域系统的模型时，总是存在或多或少的问题，还 不能对任意复杂的机、电、液、控集成的产品进行统一建模与仿真【刀。 目前，多领域建模仿真方法主要有两种一种是基于高层体系结构 H i g h L e v e lA r c h i t e c t u r e ，H L A 的方法，另一种是基于统一建模语言的方法【8 】。基于 H L A 的多领域建模方法实质上是一种模型集成方法，它需要得到各领域商用仿 4 l 绪论 真软件公司的合作，需要针对不同的仿真应用配置模型接口，编写集成代码， 实现较为困难，而且需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系。基于统 一建模语言的方法对来自不同领域的系统构件采用统一方式进行描述，彻底实 现了不同领域模型之间的无缝集成和数据交换。M o d e l i c a 是近几年欧洲仿真界 为解决复杂物理系统建模与仿真问题而提出的一种统一建模语言【9 】。不仅可以利 用M o d e l i c a 标准模型库和用户扩展库为机械、电子、液压、控制等领域系统建 立平等开放的、可重用的可视化模型，而且可建立用户自定义的领域模型库。 。 目前，基于M o d e l i e a 语言的比较成熟的商用建模仿真工具有两个D y m o l a 和 M a t h M o d e l i c a 。D y m o l a 具有功能强大的符号处理引擎，集成了多个数值求解包， 可实现较大规模的多领域物理系统建模仿真【lo J 【1 1 】。M a t h M o d e l i e a 通过集成 M i c r o s o f tV i s i o 、M a t h m a t i c a 和D y m o l a 仿真引擎开发而成【1 2 】。国内的华中科技 大学国家C A D 支撑软件工程技术研究中心目前正在研究开发的多领域统一建模 与仿真平台M W o r k s ，已在核心技术研究和系统开发方面取得了若干成果【1 3 ．1 5 1 。 长期以来，液压支架的研究和设计都是采用传统的设计方法，新架型的开 发不仅设计周期长，而且浪费了大量的人力、物力和财力，产品设计过程中一 旦出现了问题解决起来特别繁琐，而且要做许多重复性的工作，对国家来说导 致了资源的浪费；对企业来讲更是影响了企业的竞争力。在如今这个高速发展 ． 的时期，如何缩短产品的开发周期，才能抓住市场的需求。传统的设计方法只 注重于单一方面的性能要求，有必要探索一种新的方法来满足不断提出的新要 求。因此，本课题将探讨采用多领域统一建模的方法对液压支架进行研究，尝 试在同一平台下对液压支架进行多领域的耦合建模与仿真研究，为今后液压支 架的进一步研究作为指导，为企业的生产提供参考，同时探索一种可推向其它 产品应用的一种新方法、新手段。 1 ．4 本课题研究的主要内容 应用A D A M S m y a r