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

隨著掘進(jìn)機(jī)在土木工程和采礦工程中的大量應(yīng)用，掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)成為各產(chǎn)煤國不可缺少的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，而且各國制造、推廣使用的煤、巖和煤-巖巷掘進(jìn)機(jī)多以懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)為主。 由于掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境惡劣，尤其是在切割半煤巖或其它較硬的工作面時(shí)，過于強(qiáng)烈的振動和擺動直接影響掘進(jìn)機(jī)工作可靠性和整機(jī)工作穩(wěn)定性，一些關(guān)鍵零部件在掘進(jìn)過程中常因過載或振動而損壞，機(jī)械傳動部件、工作機(jī)構(gòu)、液壓傳動部件、電控元件和截割頭等，都可能因動載荷的突變而出現(xiàn)故障，直接影響掘進(jìn)機(jī)的正常掘進(jìn)工作。 尤其在復(fù)雜煤巖條件下，硬巖掘進(jìn)機(jī)截齒會遇到難截物質(zhì)，如硬度高、研磨性強(qiáng)的巖石，受到的瞬時(shí)沖擊載荷很容易破壞其薄弱環(huán)節(jié)，縮短掘進(jìn)機(jī)使用壽命，甚至使其無法使用。 兗州礦業(yè)（集團(tuán)）公司機(jī)械制修廠和綜機(jī)設(shè)備租賃站在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)虛擬樣機(jī)的建模和仿形截割分析，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)并提高產(chǎn)品的可靠性。

⑴應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中，首先是總體設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)完成后，通常要制造物理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題后修改圖紙，改進(jìn)樣機(jī)后再次試驗(yàn)。 只有通過周而復(fù)始的設(shè)計(jì)-試驗(yàn)-設(shè)計(jì)過程，產(chǎn)品才能達(dá)到所要求的性能。 這一過程是較長的，尤其結(jié)構(gòu)復(fù)雜的掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)周期更加漫長，還要進(jìn)行煤炭安全認(rèn)證和井下工業(yè)性試驗(yàn)， 無法適應(yīng)市場的變化。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%費(fèi)用，達(dá)到90%目標(biāo)，可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的40%～70%，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間與費(fèi)用，大幅度提高產(chǎn)品可靠性及生產(chǎn)安全性。 據(jù)美國科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會的測算，建模與仿真技術(shù)可提高產(chǎn)品質(zhì)量5～15 倍、 增加材料出品率25%、降低工程技術(shù)成本13%～30%、降低人工成本5%～20%、 提高投入設(shè)備利用率30%～60%、 縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制周期 30%～60%。

⑵掘進(jìn)機(jī)剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型

①模態(tài)中性文件的建立。 基于ADAMS 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷闹饕h(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。 復(fù)雜的柔性體還需利用有限元分析軟件ANSYS 等生成，最后通過其與動力學(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)使用情況對掘進(jìn)機(jī)截割部一、二級減速行星架、行星軸、 截割臂外筒和回轉(zhuǎn)臺等進(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后，選擇外部節(jié)點(diǎn)， 利用adams，mac 宏命令很方便輸出ADAMS 軟件所需的模態(tài)中性文件jobname.mnf。 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包含柔性體的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量、頻率、振型及對載荷的參與因子等信息。

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。

⑶掘進(jìn)機(jī)仿形截割技術(shù)

掘進(jìn)機(jī)通過截割頭的旋轉(zhuǎn)和懸臂的上下、左右自由擺動， 帶動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，減少無用的掘進(jìn)量和充填量。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，直觀反映出巷道斷面的成形過程及成形質(zhì)量，對下一步掘進(jìn)機(jī)油缸行程控制提供理論依據(jù)。以某型掘進(jìn)機(jī)為工程對象，通過對其截割作業(yè)過程工藝、 工作機(jī)構(gòu)幾何尺寸及巷道斷面尺寸的分析，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)器人仿形截割技術(shù)的研究中，利用ADAMS 運(yùn)動學(xué)分析直觀反映掘進(jìn)機(jī)工作過程、斷面形狀、截齒運(yùn)動軌跡及液壓缸伸長量的對應(yīng)關(guān)系，為截割斷面輪廓設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

①方形斷面成形。在PROE 中建立模型本體架和液壓缸結(jié)構(gòu)， 裝配到截割部模型并導(dǎo)入到ADAMS 中。 按照各部件間的運(yùn)動關(guān)系添加約束副，定義截割頭的轉(zhuǎn)速，在截割頭質(zhì)心處添加位移運(yùn)動約束函數(shù)來定義截割頭的運(yùn)動軌跡。設(shè)置仿真時(shí)間及步長。設(shè)置的截割頭運(yùn)動軌跡路線為上部中間位置-上部左側(cè)-上部右側(cè)-下部右側(cè)-下部左側(cè)-上部左側(cè)。 滑移剮的運(yùn)動曲線充分體現(xiàn)了運(yùn)動液壓缸的規(guī)律。將液壓缸總長變化作為測量對象，研究截割部的運(yùn)動規(guī)律，利用ADAMS點(diǎn)到點(diǎn)的測量功能，建立測量曲線。

②拱形斷面成形。按照各部件間的運(yùn)動關(guān)系添加約束副，同樣定義截割頭的轉(zhuǎn)速，在截割頭質(zhì)心處添加位移運(yùn)動約束函數(shù)來定義截割頭的運(yùn)動軌跡。 因拱形斷面復(fù)雜，應(yīng)用ADAMS 自身的steps 函數(shù)很難解決巷道上部的拱形軌跡，而采用MATLAB 生成的Spline 函數(shù)來驅(qū)動截割頭的運(yùn)動以形成拱形斷面。設(shè)置的截割頭運(yùn)動軌跡路線為底部中間位置-底部右側(cè)-上部右側(cè)-拱形段-上部左側(cè)-底部左側(cè)-底部中側(cè)。 掘進(jìn)機(jī)的斷面輪廓由截齒切割而成， 由于截割頭的特殊形狀、截齒位置和回轉(zhuǎn)臺角度以及抬起油缸的角度不同， 導(dǎo)致不同截齒截割斷面輪廓的范圍不同。巷道斷面邊界是截齒齒尖的運(yùn)動軌跡邊界，因此對于截齒運(yùn)動軌跡邊界的研究是斷面形狀的可靠依據(jù)，它可以使掘進(jìn)機(jī)操作人員在掘進(jìn)工作前便對截割巷道的斷面輪廓加以掌握，為截割斷面輪廓提供理論依據(jù)。