虛擬樣機(jī)技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

【摘 要】本文針對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)詳細(xì)的概念以及其在實(shí)際中的應(yīng)用效果進(jìn)行了全面的闡述，并且介紹了在設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)的過(guò)程中需要如何進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)的虛擬建模以及虛擬掘進(jìn)機(jī)的仿形截割方法。從而將產(chǎn)品在虛擬樣機(jī)中就進(jìn)行了深度優(yōu)化并且提高了產(chǎn)品自身的可靠性，伴隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)在不斷的在掘進(jìn)機(jī)機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)用，必然會(huì)為現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)大型設(shè)備的創(chuàng)新以及優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)更高效的研究方法以及研究手段。

【關(guān)鍵詞】虛擬樣機(jī)；掘進(jìn)機(jī)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

近幾年來(lái)，在各個(gè)大型的采礦工程以及土木工程中，掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，甚至已經(jīng)成為了這些大型工程在作業(yè)過(guò)程中必不可少的一種大型機(jī)械設(shè)備了，在全世界范圍內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)也屬于煤礦生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的一種極其重要的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備之一，各國(guó)的各大煤礦所采用的掘進(jìn)機(jī)通常都焊絲懸臂式的斷面掘進(jìn)機(jī)為主要型號(hào)。掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)環(huán)境一般來(lái)說(shuō)都極為惡劣，特別在是掘進(jìn)機(jī)切割一些非煤礦以及其他一些較硬的礦物質(zhì)的時(shí)候，會(huì)加大掘進(jìn)機(jī)自身運(yùn)作的功率，并且使得掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)幅度超過(guò)正常的振動(dòng)幅度，影響了掘進(jìn)機(jī)在接下來(lái)的工作過(guò)程中的可靠性以及安全性，在掘進(jìn)機(jī)上一些極為關(guān)鍵的零部件也可能會(huì)在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生較大的耗損甚至直接損壞的情況，例如機(jī)械臂上的液壓傳動(dòng)部件、機(jī)械傳動(dòng)部件、電子元件、機(jī)械截割鉆頭等等，都極有可能因?yàn)殂@探的過(guò)程中受到的振動(dòng)荷載過(guò)大而出現(xiàn)故障，從而影響整個(gè)掘進(jìn)機(jī)的正常運(yùn)行。

特別是在一些極為復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境之下，過(guò)硬的巖石會(huì)使得掘進(jìn)機(jī)的截面鉆頭難以做出有效的功用，并且?guī)r石反饋的振動(dòng)還會(huì)使得掘進(jìn)機(jī)機(jī)械設(shè)備上一些較為薄弱的環(huán)節(jié)荷載過(guò)高能損毀，直接縮短了掘進(jìn)機(jī)正常使用的壽命，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)直接失去了再次使用的能力[1]。

1、虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)是指在實(shí)際的設(shè)備產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，將該產(chǎn)品的各個(gè)零部件按照能夠在實(shí)際中運(yùn)用的方式組合在一起，并進(jìn)行一系列的高仿真模擬分析，從而較為真實(shí)的預(yù)測(cè)改機(jī)械設(shè)備在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)這些測(cè)試的數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，從而提高產(chǎn)品自身的性能。近幾年來(lái)，這種虛擬樣機(jī)的技術(shù)已經(jīng)不僅僅局限應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)模擬之上，還充分的應(yīng)用在了建筑行業(yè)、機(jī)電行業(yè)、技術(shù)優(yōu)化行業(yè)的模擬運(yùn)行之上。在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，虛擬樣機(jī)的模擬技術(shù)最主要是對(duì)產(chǎn)品的生命周期、系統(tǒng)運(yùn)作等進(jìn)行全面詳細(xì)的分析以及評(píng)測(cè)。在虛擬樣機(jī)的運(yùn)作過(guò)程中，工程設(shè)計(jì)工作人員可以將CAD建模系統(tǒng)之上所建立成型的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及物理信息直接提供給計(jì)算機(jī)上的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行深度的模擬裝配。在完全基于各項(xiàng)設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)備之上進(jìn)行集成的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)該機(jī)械設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中運(yùn)作模式以及各種實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析，從而在產(chǎn)品的早期就直接能夠發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的中出現(xiàn)的不足，并將這些及時(shí)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行深度的優(yōu)化，或者直接改造其部分結(jié)構(gòu)，使得該設(shè)備的各項(xiàng)性能夠有一定的提升。越為復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，在通過(guò)虛擬樣機(jī)方式進(jìn)行深度的仿真放系，越能夠起到更好的作用。

2、應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在以往的傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)以及制造的過(guò)程中，都是先進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的理論，然后再對(duì)設(shè)計(jì)方案的圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)圖紙完成之后，為了測(cè)試其設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)是否都能夠全部實(shí)現(xiàn)，則需要先按照設(shè)計(jì)的圖紙來(lái)建造一個(gè)物理的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際的側(cè)四，只要在使用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了任何問(wèn)題，就對(duì)初稿設(shè)計(jì)的圖紙進(jìn)行一定的修改，再對(duì)最初制造的物理樣機(jī)根據(jù)修改后的物理樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。在以往較為落后的科技手段制造行業(yè)中，只有通過(guò)這種一次又一次，周而復(fù)始的設(shè)計(jì)、返工過(guò)程中才能夠使得所建造的產(chǎn)品能夠達(dá)到理論上所使用的性能要求。這整個(gè)研發(fā)的過(guò)程是極為漫長(zhǎng)的，所建造的機(jī)械設(shè)備還必須要完全符合煤礦產(chǎn)業(yè)對(duì)于機(jī)械設(shè)備的認(rèn)證要求以及煤礦井下的工業(yè)實(shí)驗(yàn)。從而使得所建造的設(shè)備能夠完全使用市場(chǎng)的需求、工業(yè)作業(yè)的需求。

應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)投入傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式10%的費(fèi)用，達(dá)到90%的目標(biāo)，且可縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的40%～70%，達(dá)到提高設(shè)計(jì)人員的研發(fā)能力，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與費(fèi)用，大幅度地提高產(chǎn)品的可靠性及生產(chǎn)的安全性的目的[2]。

3、掘進(jìn)機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型的建立

以多領(lǐng)域建模與協(xié)同仿真技術(shù)為核心，采用基于接口的多領(lǐng)域建模方法，把柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的研究中。

3.1 模態(tài)中性文件的建立

基于ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ偷囊粋€(gè)主要環(huán)節(jié)就是模態(tài)中性文件（MNF）的建立，可由ADAMS/AutoFlex模塊創(chuàng)建。對(duì)于復(fù)雜的柔性體，還需利用有限元分析軟件ANSYS等生成，最后通過(guò)其與動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS之間的數(shù)據(jù)交換接口，直接生成ADAMS中的柔性體。根據(jù)使用情況，可對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部中的一二級(jí)減速行星架、行星軸、截割臂外筒和回轉(zhuǎn)臺(tái)等進(jìn)行柔性體的生成。ANSYS程序在生成柔性體零件的有限元模型之后，選擇外部節(jié)點(diǎn)，利用adams，mac宏命令可以很方便地輸出ADAMS軟件所需要的模態(tài)中性文件jobname.mnf，此文件包含了ADAMS中柔性體的所有信息，在ADAMS軟件中直接讀入此文件即可看到柔性體零件的模型。運(yùn)行宏ADAMS，_NMODES生成ADAMS程序所需要的模態(tài)中性文件file.mnf中包含了柔性體的質(zhì)量，質(zhì)心，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，頻率，振型以及對(duì)載荷的參與因子等信息，使用ADAMS/Flex Toolkit菜單欄MNF-MNF optimizer，對(duì)所建的中性文件進(jìn)行優(yōu)化?？梢詣h除一些多余的節(jié)點(diǎn)，減小文件的大小，加快了仿真計(jì)算速度。

3.2 掘進(jìn)機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)

系統(tǒng)基于Pro/E、MATLAB、ANSYS 和ADAMS聯(lián)合構(gòu)造的協(xié)同仿真環(huán)境，建立涵蓋機(jī)械、液壓等多領(lǐng)域的掘進(jìn)機(jī)剛-柔耦合多體系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了基于ADAMS的機(jī)電液復(fù)雜系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，為掘進(jìn)機(jī)工作的可靠性研究創(chuàng)造條件。

4、掘進(jìn)機(jī)仿形截割技術(shù)

掘進(jìn)機(jī)通過(guò)截割頭的旋轉(zhuǎn)和懸臂的上下、左右自由擺動(dòng)，帶動(dòng)截割頭截割出所需形狀的斷面。掘進(jìn)斷面的大小取決于懸臂長(zhǎng)度及其擺角大小。按照設(shè)計(jì)的巷道尺寸，掘進(jìn)機(jī)仿形截割可獲得規(guī)整的斷面形狀和要求尺寸，減少無(wú)用的掘進(jìn)量和充填量，提高掘進(jìn)效率，極大地降低巷道掘進(jìn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。基于掘進(jìn)機(jī)電液一體化剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)，根據(jù)斷面的成形過(guò)程、原理和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)斷面成形的自動(dòng)控制，獲得實(shí)際工況下掘進(jìn)機(jī)截割頭的作業(yè)軌跡的包絡(luò)線，直觀地反映出巷道斷面的成形過(guò)程及成形質(zhì)量，對(duì)下一步掘進(jìn)機(jī)油缸行程控制提供理論依據(jù)。

5、結(jié)語(yǔ)

隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)等采掘設(shè)備開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，將為復(fù)雜煤層賦存條件下工作的大型工礦裝備系統(tǒng)模型的建立提供一種新的研究方法和手段，將會(huì)全面提高大型復(fù)雜設(shè)備的性能和競(jìng)爭(zhēng)力，必將給礦山企業(yè)和裝備制造企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，并且有助于推動(dòng)我國(guó)礦山裝備制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。