曹銀茍 車艷春 王永強(qiáng)

(1.鄭州四維機(jī)電設(shè)備制造有限公司 支護(hù)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450000;2.鄭煤集團(tuán)工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450042)

1 前言

近年來(lái)，隨著綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高產(chǎn)高效，對(duì)液壓支架的性能要求越來(lái)越高，因此，設(shè)計(jì)人員需要利用更有效的設(shè)計(jì)手段，準(zhǔn)確、快速地完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，以滿足用戶對(duì)高性能產(chǎn)品的需求。

Top-Down(自頂向下)設(shè)計(jì)是針對(duì)傳統(tǒng)的Bottom-up(自下而上)的設(shè)計(jì)而言的。所謂Bottom-up 設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)順序是零件→組件→部件，然后用零件、組件和部件總裝產(chǎn)品，配合零部件是獨(dú)立設(shè)計(jì)，相互配合關(guān)系較簡(jiǎn)單，只需要打開(kāi)相關(guān)聯(lián)的零件進(jìn)行配合和修改;而Top-Down 設(shè)計(jì)順序是產(chǎn)品→部件→組件→零件，即在裝配體中完成零部件的設(shè)計(jì)與配合。由于在裝配體上直接設(shè)計(jì)出零部件，這樣就從根本上避免了干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)當(dāng)裝配體設(shè)計(jì)完畢，零部件也就自動(dòng)生成，自然就減少了工作量，提高了工作效率。特別是在精度要求很高，裝配關(guān)系復(fù)雜的零件這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的。

2 液壓支架Top-Down三維設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)工程師接到液壓支架設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)一般會(huì)沿著圖1的設(shè)計(jì)流程，根據(jù)前期簽訂的《三機(jī)配套圖》、《液壓支架技術(shù)協(xié)議》及《三機(jī)配套協(xié)議》，在三維軟件環(huán)境下進(jìn)行支架總方案的輪廓造型，初步制定出符合技術(shù)協(xié)議要求的架型，而不必考慮各部件內(nèi)部的具體細(xì)節(jié)，并將各部件分發(fā)給不同的工程師進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。

兩柱掩護(hù)式液壓支架主要由頂梁、掩護(hù)梁、底座、立柱、前后連桿、伸縮梁、護(hù)幫、推桿、頂架、腳踏板及各類千斤頂?shù)炔考M成。各部件設(shè)計(jì)工程師會(huì)針對(duì)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)要求書(shū)中的要求等特點(diǎn)，科學(xué)合理地采用Top-Down 設(shè)計(jì)中的關(guān)聯(lián)法設(shè)計(jì)、布局法設(shè)計(jì)及主零件法設(shè)計(jì)中的一種進(jìn)行快速、高效的建模。

圖1 設(shè)計(jì)流程

2.1 關(guān)聯(lián)法設(shè)計(jì)

關(guān)聯(lián)法設(shè)計(jì)指在裝配環(huán)境中，利用已有的相關(guān)零件的輪廓投影，建立投影線，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建本零件的草圖，進(jìn)而創(chuàng)建其結(jié)構(gòu)特征。該方法適用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)構(gòu)思已經(jīng)比較清楚，零件間單向傳導(dǎo)的部件。如液壓支架中的護(hù)幫、前后連桿、小四連桿等部件，以護(hù)幫設(shè)計(jì)為例，如下圖2。先按尺寸和設(shè)計(jì)要求選擇一標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面建立頂板的模型，接下來(lái)以頂板上面為基準(zhǔn)面，設(shè)計(jì)附著在上面的零部件，最后將蓋板附著在相鄰的零件上設(shè)計(jì)，即可將護(hù)幫部件設(shè)計(jì)完成。

該設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)單、易學(xué)易用是Top-Down 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)構(gòu)思清楚的部件，設(shè)計(jì)效率很高，但由于零部件間的關(guān)系是單向傳導(dǎo)，對(duì)于不是該部件設(shè)計(jì)的工程師或者產(chǎn)品間隔時(shí)間久而言，不易理解建模過(guò)程，修改困難，所以適用簡(jiǎn)單位置和形狀關(guān)聯(lián)的部件。

圖2 護(hù)幫設(shè)計(jì)過(guò)程

2.2 布局法設(shè)計(jì)

布局法設(shè)計(jì)指在裝配環(huán)境中，利用已有的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)面在部件中繪制出重要零件的輪廓草圖，并在此草圖基礎(chǔ)上創(chuàng)建各零件結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)方法。該方法適用于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或設(shè)計(jì)構(gòu)思需探討的復(fù)雜零部件。如液壓支架的三大件頂梁、掩護(hù)梁、底座等部件，以頂梁設(shè)計(jì)為例，如下圖3，先將頂梁以內(nèi)外主筋為界限分為中檔、外檔及邊檔，然后繪制出各檔內(nèi)重要零件的輪廓草圖一般也會(huì)在與之垂直的基準(zhǔn)面繪制頂梁的簡(jiǎn)要寬度控制草圖，當(dāng)然如果該檔內(nèi)零件很少并且很簡(jiǎn)單草圖可以省約，最后創(chuàng)建各零部件的結(jié)構(gòu)特征，即可將頂梁設(shè)計(jì)完成(圖4)。

該設(shè)計(jì)法靈活自由，可以用草圖、基準(zhǔn)、實(shí)體、曲面等多種方式布局，容易將裝配布局傳導(dǎo)至指定零部件，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者設(shè)計(jì)思路需邊設(shè)計(jì)邊探討的部件，設(shè)計(jì)效率較高，但此類設(shè)計(jì)法如果沒(méi)有一個(gè)共同的草圖建立準(zhǔn)則，將會(huì)導(dǎo)致各設(shè)計(jì)工程師繪制草圖太隨意，不可控，無(wú)法傳導(dǎo)變量，總之此運(yùn)用此法對(duì)各設(shè)計(jì)人員、硬件、網(wǎng)絡(luò)、文檔管理要求較高。

2.3 主零件法設(shè)計(jì)

主零件法設(shè)計(jì)指在裝配環(huán)境中，將復(fù)雜形狀或位置的零部件分解成形狀或位置簡(jiǎn)單的各單元，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)后匯總的方法。例如立柱、千斤頂作為單個(gè)部件需要實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，即組成它們的零件之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及大傾角液壓支架中腳踏板等，此類部件形狀、位置較復(fù)雜，在此例舉普通液壓支架的腳踏板運(yùn)用此方法建模的過(guò)程，如下圖5，將腳踏板內(nèi)的各實(shí)體在零件中分解成零件內(nèi)的特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按實(shí)體保存，設(shè)計(jì)完成后匯總在一起組成部件。

該設(shè)計(jì)方法對(duì)于零部件間具有復(fù)雜形狀或位置參考的部件設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)再次協(xié)同設(shè)計(jì)，關(guān)聯(lián)傳導(dǎo)層次清晰，設(shè)計(jì)效率很高。

圖5 腳踏板分解

針對(duì)上述設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)工程師需要結(jié)合產(chǎn)品的復(fù)雜程度、設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法的熟練程度等，選擇一種能高效、快速的設(shè)計(jì)方法將支架的各部件設(shè)計(jì)出來(lái)?？傮w設(shè)計(jì)工程師將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的零部件匯總并虛擬裝配好，形成整體液壓支架(圖6)。

圖6 整機(jī)

3 液壓支架三維設(shè)計(jì)技巧

3.1 充分利用軟件的智能功能及命令

對(duì)已生成的特征中需利用的圖線可通過(guò)實(shí)體轉(zhuǎn)換命令直接獲得，這樣既準(zhǔn)確又快捷;液壓支架各部件中含有較多的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可先畫(huà)出對(duì)稱部分的一半，然后，用鏡像工具生成另一半，再補(bǔ)充其他非對(duì)稱的元素即可;對(duì)于各部件中大量存在的筋板，應(yīng)盡量使用筋命令等，充分利用軟件智能草繪功能及草圖修改命令，高效準(zhǔn)確地完成草圖的繪制。

3.2 合理選擇特征的生成方法

由于實(shí)體模型可以有多種不同的生成方法，采取何種方法更為合理、高效，需要有一個(gè)實(shí)踐的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)、掃描比拉伸生成的模型高效;排列、鏡向比逐個(gè)生成快捷。就象制作圓柱模型，可以通過(guò)拉伸生成，也可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)獲得。但旋轉(zhuǎn)生成模型的速度會(huì)更快，生成的文件的體積也較小。對(duì)于復(fù)雜的零件，選擇合理的生成方法就顯得尤為重要。因?yàn)檫x擇不正確的生成方法不但效率低。

3.3 草圖盡量簡(jiǎn)單

對(duì)部件布局草圖時(shí)最好不要繪制過(guò)渡圓角、倒角等非關(guān)鍵性信息。這是因?yàn)槿S繪圖軟件的草圖繪制功能大多較弱，如果要象繪制二維工程視圖那樣繪制草圖，效率會(huì)很低，另外如果草圖過(guò)于精細(xì)，生成模型時(shí)會(huì)耗盡計(jì)算機(jī)資源，使得三維模型生成速度很慢或者導(dǎo)致計(jì)算機(jī)工作量大而死機(jī)。這是由于實(shí)體模型是通過(guò)布爾運(yùn)算生成的，草圖過(guò)于復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算工作量較大，耗費(fèi)機(jī)時(shí)較多，實(shí)體模型的生成速度自然也就很慢。

熟練掌握建模技巧，對(duì)于零件的精確高效建模以及接下來(lái)的部件、整機(jī)的虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析意義重大。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用SolidWorks 軟件較強(qiáng)的三維造型功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓支架的三維參數(shù)化造型、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，為支架的有限元分析提供三維模型。隨著CAD/CAE/CAM 技術(shù)的不斷發(fā)展，以三維建模軟件為平臺(tái)，結(jié)合有限元分析軟件和運(yùn)動(dòng)仿真軟件的應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于液壓支架的設(shè)計(jì)使支架設(shè)計(jì)水平越來(lái)越完善。這種方法可極大地提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期，為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]王國(guó)法，史元偉，陳忠恕，等.液壓支架技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1999.

[2]徐亞軍，王國(guó)法，杜忠孝，等.液壓支架三維建模軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)選型分析『J].煤礦開(kāi)采，2002(4):1—4.

[3]立雅科技.SolidWorks 2007 中文版自學(xué)手冊(cè).北京:人民郵電出版社，2007.7

[4]實(shí)威科技.SolidWorks 2006 原廠教育訓(xùn)練手冊(cè).北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.7