基于Pro/E的液壓支架三維建模及分析

摘 要：介紹了三維建模軟件Pro/E的主要功能及特點，并以兩柱掩護式液壓支架為例，分析討論了應用Pro/E對液壓支架進行三維建模的基本方法與技巧。結(jié)果表明應用本方法可更好的獲得液壓支架的建模過程及相關的參數(shù)。

關鍵詞：液壓支架三維建模Pro/E

中圖分類號:TD335文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(c)-0045-02

1 前言

液壓支架作為綜采工作面三大配套設備之一，具有較高的自動化程度，可實現(xiàn)支撐、切頂、移架、推溜等一整套工序，能夠可靠而有效地支撐和控制工作面的頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石進入回采工作面和輸送機。本文以兩柱掩護式液壓支架為例，利用Pro/E軟件對其進行三維建模。Pro/E是由美國參數(shù)技術公司(PTC)推出的一款集CAD/CAE/CAM于一身的全方位三維設計軟件，該軟件的主要功能包括零件設計、產(chǎn)品裝配、曲面造型、模具設計、鈑金設計、機構(gòu)運動及仿真等。它的主要特點是參數(shù)化設計、基于特征建模、單一數(shù)據(jù)庫以及全相關性。本文系統(tǒng)地討論了應用Pro/E對液壓支架建模過程中的一些方法和技巧，分析了一些常見問題及解決方法。

2 液壓支架的三維建模

兩柱掩護式液壓支架主要由頂梁、掩護梁、底座、立柱、前后連桿、伸縮梁、一二級護幫板及各類千斤頂?shù)炔考M成。本文針對其結(jié)構(gòu)復雜的特點，采用自下而上的方法進行建模，即先將各部件單獨建模成零件再按照連接及約束關系進行裝配。

2.1 各部件的三維建模

對于同一零件的造型方法可以有很多種，不同的造型方法生成文件的大小各不相同，造型速度也會有很大差別。因此，選擇科學合理的造型方法不僅能提高工作效率，而且能夠節(jié)約計算機磁盤空間、加快軟件的分析速度等。整體液壓支架的三維建模是在Pro/E的零件模塊和組件模塊中完成的。建模之前，根據(jù)支架的組成將其分為頂梁、掩護梁、底座、立柱、前后連桿、伸縮梁等部件，首先對這些部件進行建模。對部件建模時，需要注意的是：立柱、千斤頂作為單個部件需要實現(xiàn)伸縮運動，即組成它們的零件之間有相對運動關系，建模時需要先分別創(chuàng)建出各個零件，再按照其運動形式在組件模塊中進行裝配;其余部件如頂梁、掩護梁等為組焊件，單個部件中各部分之間無相對運動，所以可以直接在零件模塊中創(chuàng)建。

在兩柱掩護式液壓支架的建模過程中，主要用到了拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、倒角、復制、鏡像等操作。為了簡化建模，舍去了部件中對實際問題無影響的焊縫、螺紋、管線等結(jié)構(gòu)。

在零件模型的創(chuàng)建過程中，如何正確定義各零件間的相互位置關系尤為重要，這就涉及到參照的選擇問題。這里要注意的是，若以某一零件的幾何特征為參照創(chuàng)建其他零件，那么涉及到該零件幾何特征的任意改動都會影響到以之為參照的后續(xù)零件。這樣一來就會對修改建模過程中出錯的零件產(chǎn)生很大的影響，從而大大增加工作量。針對這一問題，建模時應盡量以系統(tǒng)預定義的幾何特征(如TOP面、RIGHT面和FRONT面等)來創(chuàng)建參照。這樣一來在修改某個零件模型時就不會影響到其他零件。

由于液壓支架的部分部件存在對稱性，所以“鏡像”工具的使用就可以大大簡化建模過程。以底座為例，在完成底座一側(cè)及中間過渡部分零件的建模后，可在底座對稱位置創(chuàng)建一個對稱面，如圖1紅色部分所示。然后運用“鏡像”工具，通過對稱面進行鏡像就完成了底座三維模型的創(chuàng)建，如圖2所示。

各部件建模完成后，將零件的顯示方式設置為無隱藏線，這時注意觀察模型的顏色，Pro/E系統(tǒng)默認實體的邊線為白色，如果出現(xiàn)其他顏色的線則表明并非是實體，需要檢查修正。常見的情況是出現(xiàn)粉色和藍色的線，粉色的線系統(tǒng)默認為面組，出現(xiàn)的原因可能有兩種：一是在進行拉伸操作時人為誤選成拉伸為曲面，二是草繪圖存在缺陷，系統(tǒng)無法拉伸為實體便默認拉伸為曲面;藍色的線系統(tǒng)默認為曲線，主要是在繪圖過程中產(chǎn)生的，在不影響模型創(chuàng)建的情況下，可將其刪除或隱藏。

圖3～圖5分別是利用Pro/E 創(chuàng)建的兩柱掩護式液壓支架的頂梁、掩護梁、伸縮梁的三維模型，其他部件的三維模型就不一一列舉。

2.2 整機裝配

裝配前需要做兩個準備工作：

(1)應正確分析各部件在整機中的位置、作用，明確各部件間的運動、裝配關系，以保證裝配后的整機定位可靠、運動靈活、互不發(fā)生干涉;

(2)要把各部件的零件圖保存在同一文件夾下，裝配完成后的裝配圖也要保存在這個文件夾下，以防止再次打開裝配圖時造成零件缺失。

整個裝配過程是在Pro/E的組件模塊下進行的。裝配過程中視支架各部件間運動關系的不同主要會涉及到以下幾種連接關系：

(1)底座與前后連桿、前后連桿與掩護梁、掩護梁與頂梁、伸縮梁與一級護幫板、一級護幫板與二級護幫板以及各千斤頂與相關部件之間的鉸接處，均應采用銷釘連接進行裝配。銷釘連接的自由度為1，零件可沿某一軸實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動;

(2)頂梁與伸縮梁、液壓缸與活塞桿之間應采用滑動桿連接。滑動桿連接的自由度也為1，零件可沿某一軸實現(xiàn)平移運動;

(3)立柱的兩端與底座柱窩和頂梁柱帽之間均應采用球連接進行裝配。球連接的自由度為3，零件可繞某點自由旋轉(zhuǎn)，但不能進行任何方式的平移運動。

裝配開始后先導入底座，選擇用戶定義下的固定約束，將底座視作裝配的基本元件，然后從下往上進行順序裝配。立柱與底座柱窩和頂梁柱帽間的連接方式為球連接，具體的方法是：分別在立柱外缸底部半球形的球心和底座柱窩的球心處創(chuàng)建基準點，然后選擇預定義的球連接再選擇這兩點即可。立柱小柱與頂梁柱帽間的連接同理。對于滑動桿連接，以頂梁與伸縮梁為例，裝配前可分別在這兩個構(gòu)件上建立一個中心面，如圖6紅色部分所示，裝配時只需將這兩個中心面重合，就完成了對這兩個構(gòu)件的初步定位，可以提高裝配速度并簡化裝配過程。對于銷釘連接，以掩護梁與頂梁為例，具體的方法是：先選擇銷釘連接再選中掩護梁與頂梁連接處銷孔的中心軸，這樣一來掩護梁與頂梁就只能繞著這個中心軸進行旋轉(zhuǎn)或軸向移動，接下來既可以選擇用戶定義的匹配約束并設置偏距來確定掩護梁與頂梁的軸向位置也可以采用上述創(chuàng)建中心面的方法來實現(xiàn)掩護梁與頂梁的完全約束。

在完成液壓支架整機裝配后， 要進行干涉檢查，待確認無誤后存盤。ZY6000/25/50型兩柱掩護式液壓支架的三維實體模型如圖7所示。

3 結(jié)語

利用Pro/E強大的三維造型功能實現(xiàn)了對液壓支架的快速建模與裝配，可為針對支架的動態(tài)仿真分析提供虛擬樣機，為支架的有限元分析提供三維模型。隨著CAD/CAE/CAM技術的不斷發(fā)展，以三維建模軟件為平臺，結(jié)合有限元分析軟件和運動仿真軟件的應用系統(tǒng)已經(jīng)越來越多地應用于液壓支架的設計過程中。這種方法可極大地提高產(chǎn)品的設計效率和質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]葛正浩.PRO/E三維機械設計實例教程.北京:化學工業(yè)出版社，2007.

[2]魯忠良.煤礦液壓支架的實用安全理論及技術.徐州:中國礦業(yè)大學，2009.