液压支架的动态特性分析.doc

个人收集整理 勿做商业用途摘 要液压支架是地下工程或隧道工程的关键设备之一，它主要用于支护顶板、防止顶板垮落，为施工人员和施工设备提供一个安全可靠的工作空间.在分析了传统液压支架架型的基础上，通过机构演化，研究了一种新架型垂直导杆型液压支架；该新型支架不仅结构简单、重量轻和调架容易,而且可极大地改善液压支架的受力状况，提高稳定性，具有广泛的应用前景。然后，用三维参数化的设计软件Pro/E，完成了垂直导杆型液压支架的三维参数化造型，实现了Pro/E与ADAMS软件之间的模型转换，并利用ADAMS软件对该液压支架进行动态分析，得到了该支架在工作状态下的承受载荷.本文系统地研究分析垂直导杆型液压支架新架型，并采用现代设计技术和方法进行设计，缩短了液压支架的研发周期,提高了产品质量，降低了成本，对今后的液压支架产品的研究与开发具有指导意义和参考价值.关键词:液压支架；垂直导杆机构；三维参数化；虚拟样机;动态特性6AbstractHydraulic power support used in the underground engineering or tunnel project is one of important equipments， it is mainly used for supporting roof， preventing the roof from collapasion, providing a safe working space for both the workers and the equipments in the underground.On the analysis of the traditional hydraulic power support types, through the institution evolution, a new frame type-vertical guide bar type hydraulic power support; The new stents not only simple structure， light weight and the frame easy， and can dramatically improve hydraulic power supports stress situation， and improve the stability, and has a broad prospect of application。Then, use three dimensional parametric design software Pro/E， the completion of the vertical guide bar type hydraulic power support 3D parametric modeling， realize the model transformation from Pro/E to the ADAMS software， and then obtain the dynamic analysis of the hydraulic support in the ADAMS software.This paper analysis the vertical guide bar type hydraulic support new frame type， and adopts the modern design techniques and methods to carry on the design, shorten the development cycle of hydraulic support， improve the product quality， reduce the cost and for future hydraulic support product research and development with the instruction meaning and reference value.Keywords： hydraulic power support; vertical guidebar； threedimensional parametric； Virtual Prototyping； Dynamic property目录摘 要IAbstractII第一章 概 述11.1 国内外液压支架的研究与应用现状11.1.1 国外液压支架研究水平11。1。2 国内液压支架研究水平21。1.3 国内外液压支架研究与应用中存在的问题31.2 本课题的确立及其研究意义31。2。1 本课题的确立31.2.2 本课题的研究意义41.3 本课题的研究内容、关键技术及创新点51.3.1 研究内容51。3.2 关键技术及创新点51。4 本章小结5第二章 垂直导杆型液压支架结构设计62.1 典型液压支架架型的分析与比较62.1.1 垛式液压支架62。1.2 四连杆型液压支架62.1.3 单摆杆型液压支架72.1.4 垂直导杆型液压支架82.2 支架主要结构参数的确定82。3 液压支架主体部件结构设计92。3.1 底座设计92.3。2 顶梁设计152。4 本章小结16第三章 垂直导杆型液压支架三维参数化设计173。1三维建模软件PRO/E173.2液压支架三维实体参数化建模183。2。1 建模方法简介183。2。2 液压支架各部件的三维建模193。2.3 液压支架的整机虚拟装配233。3本章小结24第四章 液压支架虚拟样机与仿真254.1 虚拟样机技术254.2 液压支架力学模型的建立264.3 支架虚拟样机模型的建立284.4支架样机工况动态仿真324.5 液压支架简易有限元分析36第五章 结论38参考文献39第一章 概 述液压支架是地下工程或隧道工程的关键设备之一，它主要用于支护顶板，防止顶板垮落，为施工人员和施工设备提供一个安全可靠的工作空间.与其他支护设备相比,液压支架具有支护、移架、调架、推溜等多种功能.由于其自动化程度高,工作安全可靠，可极大地降低操作人员的劳动强度、提高生产效率，故在一些大中型地下工程或隧道工程中被广泛使用。然而，随着国家建设的飞速发展，工程施工规模不断扩大、施工进程不断加快、自动化程度也越来越高，而地下岩层的物理性质复杂多变，客观上对液压支架提出了越来越高的要求1.为了满足现代地下工程施工要求，多年来，国内外的同行及专家对液压支架的研究从未间断，并不断取得新的研究成果。为此，研制并开发新型的液压支架就具有非常重要的实际意义。液压支架能实现支撑、切顶、自移和推溜等工序,与大功率采煤机、大运量的可弯曲刮板输送机组成回采工作面的综合机械化设备.由于液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点，所以它的使用可极大地降低操作人员的劳动强度、提高生产效率和保证生产的安全,故在一些大中型地下工程或隧道工程中被广泛使用。因此液压支架是实现采现代工程机械化和自动化不可缺少的主要设备。液压支架的设计过程正从传统的平面绘图设计阶段，逐渐的转向现代化的三 维设计与虚拟样机设计阶段。在新的设计方法中，三维设计与虚拟样机技术检验设计修改设计变得简单易行，在计算机里做出虚拟的样机，模拟其性能参数，而不需要做出实际的样机。PROE软件和ADAMS正是三维设计和虚拟样机软件的代表。本设计以此展开。1。1 国内外液压支架的研究与应用现状1.1。1 国外液压支架研究水平20世纪80年代以来,世界主要施工机械生产商积极开发和应用新技术，着眼于高性能、高可靠性的新的重型液压支架的研制。国外液压支架的总体发展趋势是:向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距（1。75m、2m）发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，支架的寿命和可靠性大大提高，有些公司要求支架的耐久性试验循环次数达50000次，支架的寿命达14年以上。液压支架技术的另一重大突破是控制系统2.应用电液控制技术，采用电磁控制的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器,灵活自由编程的微处理机技术，红外遥感技术等现代科技成果，使液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高。美国早在1990年就已采用额定压力50MPa、额定流量478L/min的乳化液泵站，以实现液压支架快速推进，移架速度达68s/架，使用寿命810年,可用率高达95%98%,支架平均工作阻力6470kN（最大为9800kN),支架宽度普遍增大，中心距达到1。75m，并向2m发展。增大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提高单产。澳大利亚使用的液压支架平均工作阻力已达到7640kN3。1.1。2 国内液压支架研究水平我国从20世纪60年代末70年代初开始液压支架的研制工作，由科研单位和使用单位充分合作，在引进吸收国外先进技术的基础上，一同开发研制，使我国液压支架的设计制造水平有了很大提高。由最初引进单一的垛式支架发展成能生产重型、轻型、大倾角和无人操作等多品种的支架,支架的型式、结构及主要参数更加趋于合理和完善。目前,国内液压支架正朝着重型、高强、快移和电液控制的方向发展。主要表现为：(1）液压支架对不同的地质条件表现出良好的适应性，很好地解决了硬顶板、硬底板、软顶板、软底板等难题。（2）支架的立柱缸径由最初的140mm增大到360mm，立柱的工作阻力由600kN/柱（p=39MPa）增加到3970kN/柱，立柱的型式由单伸缩加机械加高立柱发展到双伸缩和三伸缩立柱，相应的支架工作阻力也有较大幅度的提高，两柱式支架的工作阻力由最初的2000kN/架增大到现在的6000kN/架，四柱式支架的工作阻力由2800kN/架增大到10000kN/架。（3）支架的支护高度也有大幅度提高，最高支架的支撑高度达到2。55.0m。(4）以前国内绝大部分支架所用板材为屈服极限强度为350MPa的16Mn钢板，这种板材焊接性能好，但强度低,导致支架较重。国内从20世纪90年代中期开始研究高强度板材的焊接工艺，经过几年的努力，屈服极限强度450MPa和550MPa的钢板焊接工艺已经成熟，在国内液压支架上普遍应用.而屈服极限强度为700MPa的高强钢板焊接工艺也已经解决，并成功应用于部分国产支架。1.1.3 国内外液压支架研究与应用中存在的问题近年来由于种种原因，国内外一些研究开发机构大都把研究重心放在了重型、高强、智能化的液压支架上，却忽略了量大面广的轻型液压支架的开发与研制,从而曾一度出现了产品类型与市场需求不相适应的矛盾。目前，工程施工中最常用的几种典型架型主要有：垛式液压支架、四连杆型液压支架、单摆杆型液压支架等，这些都属于比较大型的液压支架.大型液压支架重量大,投入资金多,价格昂贵,一般中小客户经济上难以承受；对于中小型隧道或工作面，大型支架根本运不下去,即使运下去，也难以充分发挥其生产效率。近年来，尽管在一些地方使用了滑移顶梁液压支架或悬移顶梁液压支架，但由于这两种架型均存在着头重脚轻，插底严重，自身稳定性差，移架和调架困难,使用技术不易掌握等问题,致使其实际应用受到很大限制。在这种情况下，研究开发一种安全性高，整体性好，操作方便，适应性强，体积小，重量轻，便于运输安装的轻型液压支架，自然就成了摆在专业人士面前的一个突出的现实问题.1.2 本课题的确立及其研究意义1.2。1 本课题的确立鉴于目前产品市场的实际状况和上述所作的分析判断,为满足中小型地下工程施工的安全支护需要，本文在研究传统液压支架稳定机构型式的基础上，通过机构演化提出了一种最新架型，即垂直导杆型液压支架，如图1-1所示.垂直导杆型液压支架是一款轻型液压支架，该支架在顶梁和底座之间用垂直导向机构连接，滑套固定于底座之上,导杆与顶梁铰接，掩护梁由掩护梁千斤顶控制。垂直导向机构用于支架顶梁升降导向，并承载支架的纵向水平外力。该机构可以根据支架结构设计要求在支架底座对称线上设置1个，也可在支架底座上并排对称设置2个.该支架具有受力合理、结构简单和重量轻的特点，这对于提高我国中小地下工程支护水平和开采能力是非常有益的。图11垂直导杆型液压支架众所周知，由于液压支架的工作环境十分恶劣、所处的地质条件又相当复杂,因此，液压支架的研究和开发在很大程度上都不同于其他机械产品。传统的液压支架设计方法是首先进行概念设计和方案论证，然后进行产品设计；为了验证设计的正确性和准确性,往往需要根据设计结果制作出产品样机进行试验,这些试验是破坏性的，其试验成本很高。实际上，只经过一次试验即获得产品成功的可能性很小,而经常需要经过反复数次试验，即当试验没有通过时，则必须修改设计并再制作样机重新进行验证,直至产品达到要求的性能为止。显然，这一过程不仅周期长、效果差、方法落后,而且研发成本高、市场应变能力差，根本无法适应现代产品设计与开发的需要。在这种形势下,采用全新的设计理念和先进的技术方法对垂直导杆型液压支架进行设计，是本课题的必然选择.而由美国PTC公司开发的Pro/Engineer三维参数化实体设计软件和MSC公司开发的ADAMS软件，易学易用、功能强大，为实现这一要求创造了良好的技术条件。在本课题中，采用Pro/E软件进行自底向上建模，实现该支架的三维参数化造型。运用虚拟样机软件ADMAS对所设计的液压支架在各种工况下进行动态特性分析,从而对支架结构的强度进行全面考查.根据计算得到的结构上各处应力的分布情况，结合我国液压支架通用技术条件，判断所设计液压支架的可靠性和经济性，在此基础上进行结构改进或优化，控制支架整体结构及其零部件的强度,减轻支架重量，提高其制作经济性.1。2。2 本课题的研究意义本课题的研究意义，集中表现在以下两个方面： 垂直导杆型液压支架，作为一种崭新的架型，完全突破了以往支架的机构型式，即设计了垂直导杆稳定机构和无活动侧护板顶梁.该支架不仅由于无活动侧护板，致使支架的体积小、重量轻、结构简单，特别适用于中小型地下工程施工，而且由于垂直导杆机构的作用消除了工作过程中顶梁与顶板之间的摩擦力,改善了液压支架的受力状况,从而提高了其整机稳定性。新型液压支架具有较广阔的发展与应用前景。 本课题采用全新的设计理念和先进的设计技术，突破传统液压支架设计模式，在整个设计过程中,所有设计对象均显示为三维立体效果，容易激发设计者的创新思维和创新设计;由于采用了参数化设计PROE软件以及虚拟样机软件ADAMS软件，所以对建立的产品模型进行修改非常容易和快捷；从零部件设计到整机组装，从整机的运动仿真到整机动态特性，全部在计算机上完成，这样不仅可提高产品的可靠性，而且可以降低成本，提高产品的设计效率，缩短开发周期,为以后的液压支架产品设计提供一种先进的设计方式和技术途径，同时对其他机械产品开发也具有参考价值。1.3 本课题的研究内容、关键技术及创新点1.3.1 研究内容 对液压支架稳定机构进行分析研究，提出并完成垂直导杆型液压支架的设计； 采用自底向上的建模方法，用Pro/E软件实现该支架的三维参数化造型及虚拟装配; 建立运动学分析模型，利用ADAMS软件，对不同工况下的整机位置和工况进行动力学分析。 建立有限元力学分析模型，利用ANSYS软件，对不同工况下的整机受力和变形进行有限元强度分析。1。3.2 关键技术及创新点 关键技术创建垂直导杆型液压支架的新型力学计算模型三维参数化建模的技术与方法Pro/E软件与ADAMS软件之间的模型转换运用ADAMS虚拟样机进行支架工况动态特性的仿真 创新点首次对垂直导杆型液压支架进行系统分析研究创建垂直导杆型液压支架的新型力学计算模型1.4 本章小结本章主要介绍了液压支架的用途、组成、当前国内外研究状况及其在应用中存在的问题，并针对应用中存在的问题，在研究传统液压支架机构型式的基础上,提出了垂直导杆型液压支架这种新型机构型式，然后较详细地介绍了本课题的研究内容、意义、关键技术及创新点.第二章 垂直导杆型液压支架结构设计2.1 典型液压支架架型的分析与比较液压支架的架型在很大程度上决定着液压支架的受力状况、工作性能和生产效率，因此，对液压支架架型的分析与研究是液压支架设计的重要组成部分。本节将针对当前常用的垛式液压支架、四连杆型液压支架、单摆杆型液压支架等几种典型架型,以及本课题研究的垂直导杆型液压支架,作简要的分析比较,找出它们各自的特点.2。1。1 垛式液压支架垛式支架是我国最早从国外引进的一种支架型式，如图2-1所示，它属于无导杆、无摆杆支架，其结构简单，支撑能力强，适用于顶板比较完整的工作面，但该支架在设计上存在缺陷，影响了它的普及与使用。一是油缸将直接承受水平横向力，受力不合理，严重影响了油缸使用寿命；二是挡矸能力差，在顶板破碎且不稳定的场合，其维护能力明显不足.在我国，大部分地区地质条件复杂，对支架支护性能要求较高,一些地方从引进这种支架开始,就频频发生事故,有的干脆就无法进行正常生产，所以，这种支架很快就被从生产工作面上淘汰下来。图2-1 垛式支架机构2.1.2 四连杆型液压支架支撑掩护式液压支架是在支撑式支架的基础上吸取了掩护式支架的特点发展起来的一种架型。它的顶梁与底座,采用掩护梁和前、后连杆连接起来,形成一个四连杆机构，使支架的刚度和抵抗水平推力的能力大大增强，是目前国内外地下或隧道工程上主要使用的液压支架型式。液压支架的四连杆机构,实质上是双摇杆机构，如图2-2所示，其特征是：以四连杆的最短杆的对边为机架，摇杆AB和CD作往复摇摆，连杆BC上的某点E可在机构运动过程中实现双纽线的轨迹。此种机构用于液压支架上，通过合理设计，如图2-3所示,可使支架顶梁前端点与前方岩壁间距离的变化大大减小，当顶板来压时,立柱迫于压力产生微小的下缩,使顶梁有向前移动的趋势，可防止岩石向后移动，顶板给顶梁一个向后的水平推力，同时，为阻止底座向后移动,底板给底座一个向前的水平推力，从而使支架产生顺时针转动的趋势,因而增加了顶梁前端的支护力,防止顶梁前端上方顶板冒落，并且使底座前端比压减小,防止“啃底”，有利于移架。另一方面，由于四连杆型液压支架在升架或降架过程中顶梁前端轨迹为双纽线,所以其在工作中顶梁与顶板之间就存在相对运动，进而产生摩擦力，使得支架合力作用点位置变化范围较大,影响了支架的稳定性。另外，对于四连杆机构的设计也相对比较复杂，如果设计不好，还会增加支架的内力，影响液压支架的强度。 图2-2双摇杆机构 图23四连杆型液压支架 2.1。3 单摆杆型液压支架单摆杆型液压支架是20世纪90年代初期在我国出现的一种支架型式2，如图24所示。单摆杆是该类型支架的稳定机构，抗扭能力较四连杆机构弱；另外在升架或降架过程中，顶梁端头运动轨迹是圆弧曲线,顶梁与顶板之间有相对运动，从而使得顶梁与顶板之间产生摩擦力,使得支架合力作用点位置变化范围较大，既不利于顶板维护又降低了支架的稳定性。图2-4 单摆杆型液压支架2。1.4 垂直导杆型液压支架垂直导杆型液压支架是本课题所要研究的新架型，它具有以下优点：(1） 滑套与导杆的中心线垂直于底座下底面，在升架或降架过程中，顶梁前端运动轨迹是与滑套中心线相平行的一条直线,支架前梁的空顶距可以更小,顶梁前端与前方岩壁的距离可以定量控制，封闭性良好，可以更好地控制顶板.（2) 垂直导杆型液压支架的垂直导向机构，无论在结构的复杂程度还是在其设计的难度上，都比四连杆机构简单得多，加工制造也很容易,从而可降低支架的设计成本和加工成本,提高产品的经济效益。(3）垂直导杆型液压支架在顶梁上升或下降的过程中,顶梁与顶板之间没有沿水平方向的相对运动，从根本上消除了顶板与顶梁之间的摩擦力,使得合力作用点的位置变化范围较小，极大地提高了液压支架的稳定性。(4) 导杆与顶梁铰点距顶梁前后两端较近，可使梁体抗扭或抗偏载能力大为提高。（5） 垂直导杆型液压支架的掩护梁直接由掩护梁千斤顶控制，较四连杆型液压支架增加了后部工作空间，有利于后部输送机的维护。（6) 垂直导杆型液压支架具有尺寸小、重量轻,有利于在中小型地下工程推广使用，这对于提高我国中小地下工程支护水平是非常有益的。通过以上分析和比较，垂直导杆型液压支架无论是在其安全性、稳定性、适用性等方面,还是在经济性方面，都有着比较明显的优点或优势，因此该架型的研究与开发必定会取得良好的经济效益和社会效益。2.2 支架主要结构参数的确定我们在进行了大量调研和参照其他类型支架的基础上,为了满足液压支架具有足够的初撑力和工作阻力、足够的通风断面、足够宽的人行道等要求，确定了该支架的基本结构设计,如图2-5所示。图25 支架结构参数 顶梁长度取2600mm，厚度取230mm； 伸缩梁的伸缩长度为550mm; 底座长度为1600mm，厚度取250mm； 支架的宽度取1100mm; 支架支撑工作阻力定为:2000KN,采用四柱支撑，每根立柱的工作阻力为500kN，支架最低高度1.6m，最高支护高度2.4m。2.3 液压支架主体部件结构设计2.3。1 底座设计2.3.1。1 底座型式的选择底座是将顶板压力传递到底板和稳固支架的部件。因此，底座除满足一定的刚度和强度要求外,还要求对底板的起伏不平的适应性要强，对底板接触比压要小，要有足够的安装立柱、液压装置,推移装置和其它装置,要便于人员操作行走；能起一定的挡矸排矸任用;要有一定的重量，以保证支架的稳定性等.支架底座常用型式有3种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体式底座2.如26所示。图26 底座的结构型式整体刚性底座在立柱柱窝前要设置过桥，以提高底座的整体刚性和抗扭能力。整体刚性底座的整体强度和刚度好,底座接触面积大,有利于减小底板的比压,但推移机构处易积存碎矸，清理较困难，一般用于软底板条件下工作面支架.图26a所示的底座用于支撑式支架，箱体高度高，便于安装复位装置。图2-6-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。对分式刚性底座的底板是中分式的，为适应底板起伏不平的变化，通常把底座制成前、后或左、右对分式,图26c、d所示，分别为前后两个底座的对分式,两者通过销轴与弹簧钢板铰接而成，图26e为左、右两个底座箱的对分式,两者用过桥弹簧和销轴等连接。底靴式 底靴式底座的特点是每根立柱支承在一个底靴上，立柱之间用弹簧钢板连接,立柱与底靴之间用销轴连接，如图2-6-f所示.这种结构轻便，动作灵活，对底板不平整适应性强.但刚性差,与底板接触面积小,稳定性差,一般用于节式支架上.为了保证底座整体性强、强度高、比压小等性能,此次垂直导杆液压支架的设计选用整体刚性底座。2。3。1.2 底座结构的设计底座选择三腔室局部开口的截面，采用4条主筋板组成三腔室，其中左右两腔室封闭，中间开口，这样可以安装前推移机构。导向筒采用钢板焊接成“回”字形，导向筒的下部做成嵌入式的“H”字形，将底座左右两腔室连接在一起，如图2-7所示,下部与底板焊接在一起，这样增加了底座的抗扭能力，同时使导杆机构抵抗水平力的能力大大增强，也能够使前推移机构来回运动。在底座的后部设有一块盖板，焊接有掩护梁千斤顶的两个柱窝，增加了底座的抗扭、抗弯能力。这样在底座前部有过桥，中部有导向筒，后部有盖板，大大地增加了底座的抗扭能力。为了防止导向筒上部焊接处在工作中被撕裂，将一个“回”字形钢板焊接在导向筒的上部，增加了导向筒的强度。图2-7 套筒截面图2。3.1.3 底座的强度校核在液压支架的研制，试验过程中，各构件的强度计算是极为必要的。由于液压支架的结构特点，外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。当然强度条件要以现阶段液压支架所选用的材料、制造工艺以及失效形式等为依据，随着时间的推移，如果上述诸点有变，强度条件也必须作相应的调整。我国液压支架强度计算中的强度条件： 度校核均以材料的屈服极限计算安全系数； 构件、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件； 构件通常采用16Mn等普通低合金结构钢，并由具有标准厚度的钢板焊接而成，取350MPa； 构件、销轴和活塞杆的强度条件4为： (2。1）式中险断面计算出的最大应力，用安全系数图2-8底座受两端载荷时的受力简图依据图所示相关参数,由得: （2.2)由得： 由得： (2.3)（2）底座受集中载荷强度校核，根据相关参数得到底座的受力图，如图2-9所示.由图2-9受力分析得： (2。4） （2。5）由此得:2197。8kn659.34kn 601.77kn 根据各力大小和作用位置,分别作出底座剪力图、弯矩图如图29。图2-9 底座受集中载荷时的受力简图底座弯曲强度计算如下：在支架受力分析中知道，底座前柱窝处的截面是一个危险截面，截面形状如图所示,最大弯矩为568.11kN.m，以下对这个危险截面进行强度校核。L3L2L1图2-10 底座危险截面计算各截面的面积及形心 由计算得知，按弯压联合计算，不如按最大弯曲应力计算应力大.为了安全,采用最大弯曲应力进行校核.计算截面面积F及截面形心至aa面的距离y全部厚度为16mm首先对每块钢板编号，把位置状态相同和截面积相同的钢板编成一个号，然后计算截面面积最后计算截面形心距即:已知:L1=1100mm；L2=250mm；L3=250mm;计算截面的面积及形心。F1=L11=10。016=0。016 y1=/2=0.008mmF2=L22=0.2540。016=0.016 y2=+L2/2=0。141mmF3=L33=20.250.016=0.008 y3=+/2+0.25=0。274mm （2.6）每个零件中心到截面形心的距离:计算各截面的惯性矩矩形截面的惯性矩为： （2.7)式中b截面宽度h截面高度计算每个零件的对截面形心的惯性矩 (2。8） （2。9）计算抗弯截面模量为 （2.10） （2.11)查阅液压支架相关标准5，得到其安全系数如表41所示表41 安全系数表零件前梁顶梁底座主要轴缸体焊缝活塞杆n1.11.11.1 1。33。343.34 1.4底座所选材料为16wn,=s/1.1=340/1。1=309.1MPa （2。12）满足强度要求; （2。13）满足强度要求。其中:底座上盖板处的应力；底座下盖板处的应力满足强度要求。2。3.2 顶梁设计 此次垂直导杆液压支架顶梁的设计选用对称的五腔室箱形截面，并在顶梁上增加了耳座以便与垂直导杆连接；将柱窝焊接在顶梁下盖板上，这样可以增加顶梁的强度，也便于加工制造，如图2-12所示.为了增加顶梁的抗扭能力,布置了多道横筋。由于支架在使用或作强度试验时，柱窝附近的应力较大，因此将柱窝分别放置在左2和右2纵筋与横筋的交接处，并且在交接处用两块斜筋板进行焊接,以提高顶梁在柱窝附近的强度.图2-11 对称五腔式截面图212 顶梁结构简图 顶梁整体采用14mm、16mm及20mm的16Mn钢板，强度校核符合要求。 228。49（Mpa） 309.1Mpa（2.14）2。4 本章小结 本章首先对跺式液压支架、四连杆型液压支架、单摆杆型液压支架和垂直导杆型液压支架四种架型进行了分析比较，阐述了垂直导杆型液压支架的特色和优点，并对垂直导杆型液压支架的底座、顶梁进行了结构设计和强度校核。第三章 垂直导杆型液压支架三维参数化设计参数化设计近年来已经成为机械CAD系统的重要开发手段，并在工程实际中得到广泛应用。三维参数化设计，其实质就是在不同的几何元素或特征之间建立各种尺寸关联或几何约束关系，使设计者可以更好的表达设计意图，更加灵活的对模型进行修改5。使用三维参数化设计，不仅可以提高产品的设计效率、缩短产品开发周期、提高设计质量、降低设计成本，而且可使设计人员腾出更多的时间进行创造性思维，满足不同用户的不同需求。三维参数化技术允许设计者在创立特征时灵活方便的定义特征尺寸标注,并在特征尺寸之间通过建立数学方程式为驱动尺寸来建立零件之间的相互关联性.尺寸之间的关联可以是模型内部尺寸或设计者自行定义的各种外观参数间的关系，设计者可以通过修改驱动尺寸和模型，由系统自动求解其他尺寸的值，这种方法称为尺寸驱动。它的最大特点是尺寸被修改时可以自动保证设计者的设计意图不变,并保证图形的准确、完整和易于修改,其实质就是基于对图形数据的操作，因此绘制一张图的过程，就是在建立一个参数模型。系统将图形映射到图形数据库中，设置出图形的数据结构，参数驱动时将在这些结构中填写不同内容。近年来，Pro/E在我国的东部及南部地区被广泛应用于航空航天、机械、电子、模具、工业设计、家用电器等行业。实践证明，采用Pro/E软件进行产品的设计与开发，可有效地提高产品的性能、质量和合格率，缩短开发周期,提升产品的市场竞争力,并为企业带来可观的经济效益和社会效益，因此，Pro/E是工程技术人员从事现代设计的最佳选择。在本课题中，本人选择了Pro/E三维参数化实体设计软件，完成了垂直导杆型液压支架的整机三维实体造型和虚拟装配,为后面的结构有限元分析奠定了基础。3。1三维建模软件PRO/E当前国内流行的三维参数化软件有达索公司的solidworks, catia欧特克公司的inventor，3Dmax，PTC公司的Pro/Engineer等等。Pro/Engineer是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品.是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件,在目前的三维造型软件领域中占有着重要地 位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。此处我们选用Pro/Engineer进行三维建模，其核心特点6有： 基于特征建模：特征是一种集成对象,用于在更高层次上表达产品的功能和形状信息。在Pro/E中，特征是指所有的实体和对象，如孔、筋、圆角、倒角、抽壳等，特征是由参数驱动的. 参数化设计：所谓参数化是指特征之间具有一定的关联关系，这种关系可通过一定的参数（既可以是变量，也可以是关系式)来表示。当外部变量发生改变时，受其影响的参数也会自动发生相应变化。参数化设计实际上是通过尺寸驱动来实现的。所谓尺寸驱动就是以模型的尺寸来决定模型的形状。一个模型是由一组具有一定关联关系的尺寸进行定义的。Pro/E中定义的参数包括几何形状参数和定位尺寸参数两种。 全数据相关性:Pro/E的所有模块都是全相关的,这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中,同时自动更新所有的工程文档，包括零件模型、装配体、工程图、制造数据等。全相关性鼓励在开发周期的任一时刻进行设计修改,且不会产生任何损失，使并行工程成为可能。 单一集成数据库：与一些传统的CAD/CAM系统所不同的是，Pro/E是建立在单一数据库基础之上。所谓单一数据库，就是工程中所使用的数据信息全部来自一个数据库，整个系统实现全数据相关，从而可使每个独立用户同时开发同一件产品，实现协同工作.近年来，Pro/E在我国的东部及南部地区被广泛应用于航空航天、机械、电子、模具、工业设计、家用电器等行业。实践证明,采用Pro/E软件进行产品的设计与开发，可有效地提高产品的性能、质量和合格率，缩短开发周期,提升产品的市场竞争力，并为企业带来可观的经济效益和社会效益,因此，Pro/E是工程技术人员从事现代设计的最佳选择。在本课题中，本人选择了Pro/E三维参数化实体设计软件，完成了垂直导杆型液压支架的整机三维实体造型和虚拟装配，为后面的结构有限元分析奠定了基础。3。2液压支架三维实体参数化建模3。2。1 建模方法简介Pro/E是以特征为基础的参数化设计系统,将特征视为最小的模型基础元素。一个完整的零件模型是由若干个特征构成的；同样地,组件模型则是由若干个零件组合而成的。零件=特征1+特征2+特征3+；组件=零件1+零件2+零件3+。Pro/E提供了4种创建基础特征的方式：拉伸、旋转、扫描和混合。其中，拉伸特征是通过一个二维草绘截面沿着与其垂直的方向拉伸一定深度而得到的特征，多用于创建板类或柱状体；旋转特征是通过一个二维草绘截面围绕与其共面但不相交的轴线旋转一定角度而得到的特征，一般用于创建回转体；扫描特征是通过一个二维草绘截面沿着一条曲线移动一段距离所产生的特征，而混合特征则是将若干个二维草绘截面通过某种方式（如平行、旋转）连接起来形成的特征。相对而言，扫描特征和混合特征更适合于创建形状比较复杂的形体。3。2.2 液压支架各部件的三维建模垂直导杆型液压支架由顶梁、插板、掩护梁、导杆、底座、前伸梁以及立柱、掩护梁油缸、插板油缸等部件组成。为了研究问题方便,特将这些部件分为两类.一类为组焊件,由于这类部件完全由钢板或圆管焊接而成,各部分之间无相对位置变动，所以可在Pro/E软件的零件模块中以零件的形式创建部件。另一类为组装件,这类部件需要先制作出组成它的各个零件，然后再按照装配关系定义其约束或连接关系进行组装。由于这种情况与整机的建模过程相同，所以这里主要介绍前一种情况的建模思路和方法。 启动Pro/E,在主菜单中选择【文件】【新建】命令，出现如