第28卷第6期·制造业信息化2015年11月·
文章编号：1002－6673（2015）06－072－03
机电产品开发与创新
Development ＆Innovation of M achinery ＆E lectrical P roducts
Vol．28,No．6
Nov ．,2015
基于SolidWorks 的液压支架简化建模方法研究
陈雪婷，郑晓雯，陈超
（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）
摘要：以ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架为研究对象，利用SolidWorks 软件对其进行三维建模。基
于SolidWorks 软件的功能和特点，详细探讨了液压支架的简化建模方法和应注意的问题，并应用SolidWorks motion 插件完成简单的运动仿真。由于三维建模技术是进行液压支架有限元分析的首要任务，通过合理使用软件建立合适的液压支架三维简化模型，可为液压支架的有限元分析打下良好的基础。
关键词：液压支架；三维建模；简化方法；SolidWorks 中图分类号：TP391.9
文献标识码：A
doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2015.06.026
Research on Simplified Modeling Method of Hydraulic Support Based on SolidWorks
CHEN Xue-Ting ，ZHENG Xiao-Wen ，CHEN Chao
(Schoolof Mechanical, Electronic and Information Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083, China) Abstract:Taking the two-column shielding hydraulic support of ZY6000/25/50type as the study object, its 3D model is established by SolidWorks software. Based on the features and functions of SolidWorks software, the
simplified modeling method of the hydraulic support and the problems to be noted are discussed in detail, and the simple motion simulation is completed using SolidWorks motion module. Be -cause the 3D modeling technology is the primary task of the finite element analysis of hydraulic support, it can provide a good foundation for the finite element analysis of the hydraulic support by using SolidWorks software to establish a suitable simplified 3D model. Key words:hydraulic support ；3D modeling ；simplified method ；SolidWorks
0引言
计算机仿真已成为极为重要的科研手段，采用三维软件对液压支架进行建模、仿真及分析成为支架设计发展的必然趋势。SolidWorks 软件具有强大的可视化建模功能，将支架每个部件结构和每层装配关系都清晰、直观地显示出来, 从视觉上带给人们更感性的认识[1]。本文所研究的ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架主要由顶梁、掩护梁、底座、前后连杆、立柱和千斤顶等部分组成。由于液压支架模型本身复杂庞大，导入到有限元分析软件中会耗费大量的计算机内存，甚至由于内存有限导致有限元分析工作无法完成，因此为了节省计算资源，提高分析效率，需要对液压支架模型进行合理的简化。
零部件的结构，将复杂的零部件分解为若干个简单的零部件，并分析各个零部件的形状、位置及相互关系。对液压支架整机的建模一般采用自下向上的方法, 即先依据各零部件的结构形状和尺寸建立其三维模型, 然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系逐个进行组装, 最后完成整机的虚拟装配。对液压支架各部件的精确建模和正确定义各部件之间的装配关系, 是完成液压支架整机建模的关键[2]。
1.1顶梁的简化建模
顶梁的三维模型如图1所示。液压支架顶梁由顶板、主筋、盖板、筋板、柱帽等组成，建模时对其进行简化，忽略对受力影响很小的倒角、小孔等。顶板由几块钢板焊接而成，为方便后续有限元分析，忽略具体结构，将其视为一块钢板建模[3]。
1液压支架的三维建模
建立液压支架各零部件三维模型前，详细地分析各
修稿日期：2015－10－09
作者简介：陈雪婷（1992-），女，安徽宿州人，现为中国矿业大学（北京）机械设计及理论专业硕士研究生。
1.2掩护梁的简化建模
掩护梁是连接顶梁和四连杆机构的重要部件，
图1顶梁的三维模型
Fig.13D model of canopy
72
·
制造业信息化
·
对其进行适当简化之后建立的三维模型如图2所示。
解底板具体结构和尺寸，然后以底板为基准，测量主筋板的尺寸以及在底板上的具体位置，最后画各主筋之间的隔板以及盖板等。
（6）镜像出现多余实体。由于建模时多次用到拉伸命令，对于使用成形到实体、成形到下一面或成形到一面命令，有时镜像之后出现多余实体，如与要镜像的实体之间形成连续实体。此时可以将拉伸生成方式改为给定深度，这样生成方式比较明确，软件可以准确识别，镜像时不易出现多余实体。
（7）无法生成特征，此命令将导致厚度为零的几何体。出现这种错误提醒时，可以添加或移动足够的实体材质到零厚度几何体的区域，以正确连接边线和顶点。或者可以在拉伸Property Manager 中，清除方向中的合并结果，这样会生成多实体零件。
（8）使用剖视图。点击剖视按钮之后，用鼠标拉动箭头可以查看到各个截面的剖视图，方便我们选取被实体遮住不易选择的点线面，同时还可以利用剖视图检查已建好的实体是否正确。
1.3底座的建模
底座由过桥、柱窝、
图2掩护梁的三维模型
筋板和底板组成，它的结构也比较对称，可以用镜像的功能节省建模
Fig.23D model of caving shield
时间。底座的三维模型如图3所示。
1.4前后连杆的建模
前后连杆的结构相对简单，也是对称结构，故可充分利用镜像节省建模时间。它们的三维模型如图4所示。
图3底座的三维模型
Fig.33D model of the base
1.5立柱外缸、中缸、
小柱及平衡千斤顶的建模
图4前后连杆的三维模型
Fig.43D model of front
and back link
3液压支架的装配
在SolidWorks 中对建好的部件进行装配，装配流程：插入零部件→配合→选择要配合的点、线、面→确定。配合过程中可能出现操作过定义，导致出错，无法继续装配。经过多次尝试，总结出以下几点经验。
（1）底座的装配。最先插入的零部件，SolidWorks 会将其默认为固定，在此选择最先插入底座将其设为固定。由于立柱与底座、顶梁之间通过球面配合，如果最后添加容易出现过定义的错误提醒，所以要选择合适的插入零部件的顺序。可以按照底座→立柱外缸→中缸→小柱→顶梁→掩护梁→后连杆→前连杆→千斤顶的顺序进行装配。
（2）立柱的装配。立柱的外缸与底座之间通过两个球面配合，而SolidWorks 2014之前的版本没有球面配合命令，较低版本可以通过建立基准轴和同轴心的方式配合。立柱的中缸与外缸之间除了同轴心之外，还应采用距离配合，在配合中选择高级配合，之后选择距离，输入距离的最大值和最小值即可完成行程的设置。小柱与中缸的配合与此类似。小柱与顶梁的配合同外缸与底座的配合类似。
（3）顶梁的装配。顶梁除了与立柱小柱之间的球面配合，还要设置装配高度。根据GB25974-2010《煤矿用液压支架通用技术条件》规定，顶梁偏载试验时，支架高度为支架最低高度加300mm ；其余项目试验时，支架高度为支架最大高度减去支架行程1/3[4]。ZY6000/25/50型液压支架的最大高度为5000mm ，行程为2500mm ，暂设
立柱和千斤顶的结构也比较简单，可以通过旋转命令生成模型，相比拉伸更简单快捷，生成的文件体积也比较小。由于立柱和千斤顶的建模采用简化画法，故要认真计算配合尺寸。
2建模技巧及需注意的问题
结合液压支架建模的实践，提出以下几点建模技巧及需注意的问题：
（1）选择对部件建模。如把顶梁部件建成一个整体，代替之前把每个零件都画出来再装配的建模方法，这样有利于进行后续的有限元分析。因此要更加明确部件的各个结构之间的位置关系。
（2）液压支架零部件大多是由多块钢板焊接而成，焊接后焊缝的强度与母材非常接近，为提高建模和分析效率，忽略焊缝。
（3）选好合适的基准面。由于简化时按部件建模，选择好合适的基准面有助于镜像的使用和支架装配。
（4）熟练使用镜像、转换实体引用命令。由于很多部件结构对称，使用镜像可大大提高建模效率，而转换实体引用可方便、准确、快速的获取已建好的实体特征的点线面。
（5）合理规划建模顺序。认真识读二维图纸，规划好建模顺序，有助于建模时思路清晰，不易出错。例如，首先分析顶梁的具体结构，先主后次依次建立构件，了
73
·制造业信息化
·
按其余工况加载，故支架装配高度为4167mm ，即顶梁的上顶板距离底座下底板高度应设为4167mm 。
（4）掩护梁的装配。掩护梁与顶梁铰接，配合方式选择同轴心并保持两构件之间有5mm 的间隙。
（5）后连杆、前连杆、千斤顶与顶梁、掩护梁、底座之间的配合，均采用铰接，配合时选择同轴心并保持两构件之间有5mm 的间隙。
（6）立柱共两个，先装配好一个立柱，另一个采用镜像的方式生成，否则会出现过定义错误提示。前连杆也可采用此方法。
（7）熟练使用隐藏和显示零部件。装配时，有些零部件被遮蔽不容易选取，这时可以将零件隐藏以方便我们选取被遮挡的零部件。
另外，建立好液压支架三维模型后，
还要进行
干涉检查，以确保零件装配时没有相互“嵌入”。如果出现干涉，需调整相互干涉零部件的配合和尺寸等，使运动仿真能够顺利进行[1]。装配好的液压支架如
图5所示。
新建运动算例，分别对中缸、小柱添加4个线性马达，在“运动”中选择“线段”，结合立柱升高的高度依次设置时间和位移值。线性马达的配置如表1和表2所示。液压支架由最低位置开始先伸出中缸，经过12.50s 后达到外缸的限位，行程为1250mm; 然后伸出立柱小柱，经过4.15s 后达到液压支架的装配高度，行程为
415.21mm [1]。
表１线性马达中缸的配置
Ｔａｂ．１Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒｉｎｍｉｄｄｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒ
起点/s
终点/s
位移/mm
分段类型初始
0.0
012.50
12.5016.65
12501250
Half-Cosine Cubic （default ）
表２线性马达小柱的配置
Ｔａｂ．２Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒｉｎｓｍａｌｌｃｏｌｕｍｎ
起点/s
终点/s
位移/mm
分段类型初始
0.0
12.5016.65
0415.21
Linear (default)Half-Cosine
4SolidWorks 中
的运动仿真
通过运动仿真模拟液压支架升柱过程，使得支架的装配关系
图5液压支架的装配模型
12.50
5结束语
通过合理使用SolidWorks 软件，建立合适的液压支架三维简化模型，将其保存为parasolid （“x_t”格式）文件，可为导入到其他软件中进行所需的分析研究打下良好的基础，如导入到有限元分析软件ABAQUS 中进行有限元分析，或机械系统动力学分析软件ADAMS 中进行运动仿真和动力学分析等。参考文献：
[1]司炎飞，王守信，李亮，等．基于Solidworks 的液压支架运动仿真及优化设计[J]．煤矿机电，2014，2.
更直观地展现。立柱工作原理示意图如图6所示。进入A 口的液压油首先作用于立柱外缸的活塞面上，在未打开底阀的情况下立柱中缸首先升起。中缸升至极限位置后，外缸活塞腔内的液体压力增高，打开底阀（单向阀）使液压油进入中缸的活塞腔，使得小柱升起支撑顶板[1]。
Fig.5Assembly model of hydraulic support
1234
B A C
1. 小柱2. 中缸3. 外缸4. 底阀
[2]蔡文书，程志红，沈春丰．基于SolidWorks 的液压支架三维建模和运动仿真[J]．煤矿机械，2008，11.
图6立柱工作原理示意图
[3]董文浩，陈安林，石恩嘉，等．基于虚拟样机的液压支架三维建模及运动仿真[J]．煤矿机械，2013，2.
Fig.6Schematic diagram of
column
[4]煤炭科学研究总院开发设计研究分院. GB25974-2010. 煤矿用液压支架（第1部分）：通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2011.
利用SolidWorks 软件自带的Solidworks Motion 插件
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第28卷第6期·制造业信息化2015年11月·
文章编号：1002－6673（2015）06－072－03
机电产品开发与创新
Development ＆Innovation of M achinery ＆E lectrical P roducts
Vol．28,No．6
Nov ．,2015
基于SolidWorks 的液压支架简化建模方法研究
陈雪婷，郑晓雯，陈超
（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）
摘要：以ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架为研究对象，利用SolidWorks 软件对其进行三维建模。基
于SolidWorks 软件的功能和特点，详细探讨了液压支架的简化建模方法和应注意的问题，并应用SolidWorks motion 插件完成简单的运动仿真。由于三维建模技术是进行液压支架有限元分析的首要任务，通过合理使用软件建立合适的液压支架三维简化模型，可为液压支架的有限元分析打下良好的基础。
关键词：液压支架；三维建模；简化方法；SolidWorks 中图分类号：TP391.9
文献标识码：A
doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2015.06.026
Research on Simplified Modeling Method of Hydraulic Support Based on SolidWorks
CHEN Xue-Ting ，ZHENG Xiao-Wen ，CHEN Chao
(Schoolof Mechanical, Electronic and Information Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083, China) Abstract:Taking the two-column shielding hydraulic support of ZY6000/25/50type as the study object, its 3D model is established by SolidWorks software. Based on the features and functions of SolidWorks software, the
simplified modeling method of the hydraulic support and the problems to be noted are discussed in detail, and the simple motion simulation is completed using SolidWorks motion module. Be -cause the 3D modeling technology is the primary task of the finite element analysis of hydraulic support, it can provide a good foundation for the finite element analysis of the hydraulic support by using SolidWorks software to establish a suitable simplified 3D model. Key words:hydraulic support ；3D modeling ；simplified method ；SolidWorks
0引言
计算机仿真已成为极为重要的科研手段，采用三维软件对液压支架进行建模、仿真及分析成为支架设计发展的必然趋势。SolidWorks 软件具有强大的可视化建模功能，将支架每个部件结构和每层装配关系都清晰、直观地显示出来, 从视觉上带给人们更感性的认识[1]。本文所研究的ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架主要由顶梁、掩护梁、底座、前后连杆、立柱和千斤顶等部分组成。由于液压支架模型本身复杂庞大，导入到有限元分析软件中会耗费大量的计算机内存，甚至由于内存有限导致有限元分析工作无法完成，因此为了节省计算资源，提高分析效率，需要对液压支架模型进行合理的简化。
零部件的结构，将复杂的零部件分解为若干个简单的零部件，并分析各个零部件的形状、位置及相互关系。对液压支架整机的建模一般采用自下向上的方法, 即先依据各零部件的结构形状和尺寸建立其三维模型, 然后再按照它们彼此之间的装配和约束关系逐个进行组装, 最后完成整机的虚拟装配。对液压支架各部件的精确建模和正确定义各部件之间的装配关系, 是完成液压支架整机建模的关键[2]。
1.1顶梁的简化建模
顶梁的三维模型如图1所示。液压支架顶梁由顶板、主筋、盖板、筋板、柱帽等组成，建模时对其进行简化，忽略对受力影响很小的倒角、小孔等。顶板由几块钢板焊接而成，为方便后续有限元分析，忽略具体结构，将其视为一块钢板建模[3]。
1液压支架的三维建模
建立液压支架各零部件三维模型前，详细地分析各
修稿日期：2015－10－09
作者简介：陈雪婷（1992-），女，安徽宿州人，现为中国矿业大学（北京）机械设计及理论专业硕士研究生。
1.2掩护梁的简化建模
掩护梁是连接顶梁和四连杆机构的重要部件，
图1顶梁的三维模型
Fig.13D model of canopy
72
·
制造业信息化
·
对其进行适当简化之后建立的三维模型如图2所示。
解底板具体结构和尺寸，然后以底板为基准，测量主筋板的尺寸以及在底板上的具体位置，最后画各主筋之间的隔板以及盖板等。
（6）镜像出现多余实体。由于建模时多次用到拉伸命令，对于使用成形到实体、成形到下一面或成形到一面命令，有时镜像之后出现多余实体，如与要镜像的实体之间形成连续实体。此时可以将拉伸生成方式改为给定深度，这样生成方式比较明确，软件可以准确识别，镜像时不易出现多余实体。
（7）无法生成特征，此命令将导致厚度为零的几何体。出现这种错误提醒时，可以添加或移动足够的实体材质到零厚度几何体的区域，以正确连接边线和顶点。或者可以在拉伸Property Manager 中，清除方向中的合并结果，这样会生成多实体零件。
（8）使用剖视图。点击剖视按钮之后，用鼠标拉动箭头可以查看到各个截面的剖视图，方便我们选取被实体遮住不易选择的点线面，同时还可以利用剖视图检查已建好的实体是否正确。
1.3底座的建模
底座由过桥、柱窝、
图2掩护梁的三维模型
筋板和底板组成，它的结构也比较对称，可以用镜像的功能节省建模
Fig.23D model of caving shield
时间。底座的三维模型如图3所示。
1.4前后连杆的建模
前后连杆的结构相对简单，也是对称结构，故可充分利用镜像节省建模时间。它们的三维模型如图4所示。
图3底座的三维模型
Fig.33D model of the base
1.5立柱外缸、中缸、
小柱及平衡千斤顶的建模
图4前后连杆的三维模型
Fig.43D model of front
and back link
3液压支架的装配
在SolidWorks 中对建好的部件进行装配，装配流程：插入零部件→配合→选择要配合的点、线、面→确定。配合过程中可能出现操作过定义，导致出错，无法继续装配。经过多次尝试，总结出以下几点经验。
（1）底座的装配。最先插入的零部件，SolidWorks 会将其默认为固定，在此选择最先插入底座将其设为固定。由于立柱与底座、顶梁之间通过球面配合，如果最后添加容易出现过定义的错误提醒，所以要选择合适的插入零部件的顺序。可以按照底座→立柱外缸→中缸→小柱→顶梁→掩护梁→后连杆→前连杆→千斤顶的顺序进行装配。
（2）立柱的装配。立柱的外缸与底座之间通过两个球面配合，而SolidWorks 2014之前的版本没有球面配合命令，较低版本可以通过建立基准轴和同轴心的方式配合。立柱的中缸与外缸之间除了同轴心之外，还应采用距离配合，在配合中选择高级配合，之后选择距离，输入距离的最大值和最小值即可完成行程的设置。小柱与中缸的配合与此类似。小柱与顶梁的配合同外缸与底座的配合类似。
（3）顶梁的装配。顶梁除了与立柱小柱之间的球面配合，还要设置装配高度。根据GB25974-2010《煤矿用液压支架通用技术条件》规定，顶梁偏载试验时，支架高度为支架最低高度加300mm ；其余项目试验时，支架高度为支架最大高度减去支架行程1/3[4]。ZY6000/25/50型液压支架的最大高度为5000mm ，行程为2500mm ，暂设
立柱和千斤顶的结构也比较简单，可以通过旋转命令生成模型，相比拉伸更简单快捷，生成的文件体积也比较小。由于立柱和千斤顶的建模采用简化画法，故要认真计算配合尺寸。
2建模技巧及需注意的问题
结合液压支架建模的实践，提出以下几点建模技巧及需注意的问题：
（1）选择对部件建模。如把顶梁部件建成一个整体，代替之前把每个零件都画出来再装配的建模方法，这样有利于进行后续的有限元分析。因此要更加明确部件的各个结构之间的位置关系。
（2）液压支架零部件大多是由多块钢板焊接而成，焊接后焊缝的强度与母材非常接近，为提高建模和分析效率，忽略焊缝。
（3）选好合适的基准面。由于简化时按部件建模，选择好合适的基准面有助于镜像的使用和支架装配。
（4）熟练使用镜像、转换实体引用命令。由于很多部件结构对称，使用镜像可大大提高建模效率，而转换实体引用可方便、准确、快速的获取已建好的实体特征的点线面。
（5）合理规划建模顺序。认真识读二维图纸，规划好建模顺序，有助于建模时思路清晰，不易出错。例如，首先分析顶梁的具体结构，先主后次依次建立构件，了
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·制造业信息化
·
按其余工况加载，故支架装配高度为4167mm ，即顶梁的上顶板距离底座下底板高度应设为4167mm 。
（4）掩护梁的装配。掩护梁与顶梁铰接，配合方式选择同轴心并保持两构件之间有5mm 的间隙。
（5）后连杆、前连杆、千斤顶与顶梁、掩护梁、底座之间的配合，均采用铰接，配合时选择同轴心并保持两构件之间有5mm 的间隙。
（6）立柱共两个，先装配好一个立柱，另一个采用镜像的方式生成，否则会出现过定义错误提示。前连杆也可采用此方法。
（7）熟练使用隐藏和显示零部件。装配时，有些零部件被遮蔽不容易选取，这时可以将零件隐藏以方便我们选取被遮挡的零部件。
另外，建立好液压支架三维模型后，
还要进行
干涉检查，以确保零件装配时没有相互“嵌入”。如果出现干涉，需调整相互干涉零部件的配合和尺寸等，使运动仿真能够顺利进行[1]。装配好的液压支架如
图5所示。
新建运动算例，分别对中缸、小柱添加4个线性马达，在“运动”中选择“线段”，结合立柱升高的高度依次设置时间和位移值。线性马达的配置如表1和表2所示。液压支架由最低位置开始先伸出中缸，经过12.50s 后达到外缸的限位，行程为1250mm; 然后伸出立柱小柱，经过4.15s 后达到液压支架的装配高度，行程为
415.21mm [1]。
表１线性马达中缸的配置
Ｔａｂ．１Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒｉｎｍｉｄｄｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒ
起点/s
终点/s
位移/mm
分段类型初始
0.0
012.50
12.5016.65
12501250
Half-Cosine Cubic （default ）
表２线性马达小柱的配置
Ｔａｂ．２Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒｉｎｓｍａｌｌｃｏｌｕｍｎ
起点/s
终点/s
位移/mm
分段类型初始
0.0
12.5016.65
0415.21
Linear (default)Half-Cosine
4SolidWorks 中
的运动仿真
通过运动仿真模拟液压支架升柱过程，使得支架的装配关系
图5液压支架的装配模型
12.50
5结束语
通过合理使用SolidWorks 软件，建立合适的液压支架三维简化模型，将其保存为parasolid （“x_t”格式）文件，可为导入到其他软件中进行所需的分析研究打下良好的基础，如导入到有限元分析软件ABAQUS 中进行有限元分析，或机械系统动力学分析软件ADAMS 中进行运动仿真和动力学分析等。参考文献：
[1]司炎飞，王守信，李亮，等．基于Solidworks 的液压支架运动仿真及优化设计[J]．煤矿机电，2014，2.
更直观地展现。立柱工作原理示意图如图6所示。进入A 口的液压油首先作用于立柱外缸的活塞面上，在未打开底阀的情况下立柱中缸首先升起。中缸升至极限位置后，外缸活塞腔内的液体压力增高，打开底阀（单向阀）使液压油进入中缸的活塞腔，使得小柱升起支撑顶板[1]。
Fig.5Assembly model of hydraulic support
1234
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1. 小柱2. 中缸3. 外缸4. 底阀
[2]蔡文书，程志红，沈春丰．基于SolidWorks 的液压支架三维建模和运动仿真[J]．煤矿机械，2008，11.
图6立柱工作原理示意图
[3]董文浩，陈安林，石恩嘉，等．基于虚拟样机的液压支架三维建模及运动仿真[J]．煤矿机械，2013，2.
Fig.6Schematic diagram of
column
[4]煤炭科学研究总院开发设计研究分院. GB25974-2010. 煤矿用液压支架（第1部分）：通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2011.
利用SolidWorks 软件自带的Solidworks Motion 插件
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