支頂掩護式液壓支架的研究

□ 趙 北 □ 馬 趕 □ 王 海 □ 林君哲 □ 楊洪朋

1.三一重型裝備有限公司 沈陽 110027 2.東北大學 機械工程與自動化學院 沈陽 110819

1 研究背景

數字孿生技術作為新的數字化關鍵技術,已應用至與工業4.0相關的智能制造領域[1-2]。液壓支架是現代化煤礦綜合開采裝備的關鍵設備之一。隨著采煤層深度和厚度的增大,以及綠色節能環保理念的提出,液壓支架的設計和工作要求越來越高。另一方面,傳統的強度和疲勞樣機試驗往往只能得到少量數據,并且耗資耗時,計算機技術的發展則為大型復雜結構件的仿真提供了有效平臺[3-5]。通過建立基于數字孿生技術的數字化樣機,代替真實物理樣機進行分析,可以指導物理樣機的設計,能夠進一步為細化數字化樣機提供建模參考,反映環境對性能的影響。利用所建立的數字化樣機進行分析,還可以測試物理樣機在使用中的性能,并進行校驗,將結果反饋至設計階段[6-10]。

2 建模

在Creo 4.0軟件中對Z77-3D型支頂掩護式液壓支架進行參數化建模。為減小工作量,在不影響仿真結果的前提下對一些零部件進行簡化處理。利用裝配功能,對建模后的零件進行裝配,最終獲得支頂掩護式液壓支架的三維模型,經過檢驗無干涉后轉換為.parasolid格式文件,導入ADAMS軟件進行動力學仿真。支頂掩護式液壓支架三維模型如圖1所示,主要工作機構由頂梁、掩護梁、底座、立柱、平衡千斤頂、前連桿、后連桿組成。

▲圖1 支頂掩護式液壓支架三維模型

支頂掩護式液壓支架三維模型導入ADAMS軟件后,并沒有質量信息。為使操作方便,對各部件重新進行命名,并編輯材料屬性。由圖1可以看出,共有十個銷軸用于連接各結構件。因此,需要定義十個運動副。所定義的支頂掩護式液壓支架運動副見表1。

支頂掩護式液壓支架機構運動簡圖如圖2所示,按照經典機械理論來計算整個系統的自由度DOF:

DOF=3n-2pl-ph=3>0

(1)

式中:n為構件數;pl為低副數量;ph為高副數量。

表1 支頂掩護式液壓支架運動副

▲圖2 支頂掩護式液壓支架機構運動簡圖

由圖2可知,需要添加三個驅動,包括兩個立柱驅動和一個平衡千斤頂驅動。因為立柱為兩級液壓油缸,所以需要添加兩級液壓驅動。立柱一級液壓油缸的驅動函數為STEP(time,0,0,1,800),0～1 s內由0 mm運動至800 mm。立柱二級液壓油缸的驅動函數為STEP(time,0,0,1,450),0～1 s內由0 mm運動至450 mm。平衡油缸的驅動函數為STEP(time,0,0,1,170),0～1 s內由0 mm運動至170 mm。運動副間的摩擦類型為庫倫摩擦,動摩擦因數為0.3,靜摩擦因數為0.5。

3 運動學研究

對于支頂掩護式液壓支架立柱,設置仿真類型為Kinematic,結束時間為1 s,運動步數為1 000,運行仿真。頂梁的質心運動軌跡如圖3所示,呈現明顯的雙扭線形變化,且雙向擺動。

▲圖3 頂梁質心運動軌跡

在支架升降的絕大部分范圍內,支架相對于頂梁前端的頂板有向前運動的趨勢,也就是支架向煤壁運動,頂板對支架的摩擦力指向采空區,使頂梁前端的頂板始終處于良好的擠壓狀態。

頂梁質心高度隨時間變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出,支架的升降高度為1 100～2 100 mm,這與設計要求完全一致,滿足井下工作的需要。

▲圖4 頂梁質心高度隨時間變化曲線

頂梁質心水平偏移量隨時間變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出,頂梁質心的最大水平偏移量為69 mm,最小水平偏移量為0 mm,滿足標準所規定的偏移量±100 mm以內的要求,證明支架具有良好的工作穩定性。

▲圖5 頂梁質心水平偏移量隨時間變化曲線

4 動力學仿真研究

試驗裝置有外加載試驗臺和內加載試驗臺兩種,筆者進行支頂掩護式液壓支架動力學仿真研究時采用外加載試驗臺。墊塊距兩端距離為50 mm,墊塊寬度為150 mm。選取頂梁兩端加載的形式,如圖6所示。在Adams軟件中對墊塊進行加載,仿真過程中,為防止支架結構件與墊塊由于擠壓而相互滲入,設置滲透深度為0.01 mm。

▲圖6 頂梁兩端加載形式

對墊塊與頂板采用固定約束,側護板與對應的頂梁或掩護梁采用固定約束。

右前連桿與底座鉸鏈處所受合力隨時間變化曲線如圖7所示,支頂掩護式液壓支架處于壓架狀態。由圖7可以看出,由于頂梁與墊塊相互接觸,迫使支頂掩護式液壓支架突然停止運動,進而引起右前連桿與底座鉸鏈處合力突然增大。由于結構阻尼的影響,隨著時間的變化,右前連桿與底座鉸鏈處合力出現抖動變化,最后趨于穩定。

▲圖7 右前連桿與底座鉸鏈處所受合力隨時間變化曲線

5 結束語

應用Creo 4.0三維軟件建立支頂掩護式液壓支架的三維實體模型,并應用ADAMS軟件結合實際情況建立數字化樣機模型,對支頂掩護式液壓支架進行運動學仿真,結果表明所建立的仿真模型是合理的。對支頂掩護式液壓支架進行仿真研究,得到右前連桿與底座鉸鏈處合力隨時間變化曲線,為改善支頂掩護式液壓支架關鍵零部件的設計和后續有限元分析打下了基礎,對其它型號液壓支架的仿真研究也具有一定參考價值。