虚拟样机技术在掘进机设计中的应用

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【摘 要】本文针对虚拟样机技术详细的概念以及其在实际中的应用效果进行了全面的阐述，并且介绍了在设计掘进机的过程中需要如何进行掘进机的虚拟建模以及虚拟掘进机的仿形截割方法。从而将产品在虚拟样机中就进行了深度优化并且提高了产品自身的可靠性，伴随着虚拟样机技术在不断的在掘进机机械的设计过程中进行运用，必然会为现代社会各个大型设备的创新以及优化设计带来更高效的研究方法以及研究手段。

【关键词】虚拟样机；掘进机；设计；应用

近几年来，在各个大型的采矿工程以及土木工程中，掘进机的应用已经越来越广泛，甚至已经成为了这些大型工程在作业过程中必不可少的一种大型机械设备了，在全世界范围内，掘进机也属于煤矿生产过程中不可缺少的一种极其重要的生产机械设备之一，各国的各大煤矿所采用的掘进机通常都焊丝悬臂式的断面掘进机为主要型号。掘进机的作业环境一般来说都极为恶劣，特别在是掘进机切割一些非煤矿以及其他一些较硬的矿物质的时候，会加大掘进机自身运作的功率，并且使得掘进机的振动幅度超过正常的振动幅度，影响了掘进机在接下来的工作过程中的可靠性以及安全性，在掘进机上一些极为关键的零部件也可能会在这个过程中发生较大的耗损甚至直接损坏的情况，例如机械臂上的液压传动部件、机械传动部件、电子元件、机械截割钻头等等，都极有可能因为钻探的过程中受到的振动荷载过大而出现故障，从而影响整个掘进机的正常运行。

特别是在一些极为复杂的作业环境之下，过硬的岩石会使得掘进机的截面钻头难以做出有效的功用，并且岩石反馈的振动还会使得掘进机机械设备上一些较为薄弱的环节荷载过高能损毁，直接缩短了掘进机正常使用的寿命，严重情况会导致掘进机直接失去了再次使用的能力[1]。

1、虚拟样机技术

虚拟样机设计技术是指在实际的设备产品开发的过程中，将该产品的各个零部件按照能够在实际中运用的方式组合在一起，并进行一系列的高仿真模拟分析，从而较为真实的预测改机械设备在实际运用过程中的各项数据，通过这些测试的数据，来对机械设备进行相应的改进，从而提高产品自身的性能。近几年来，这种虚拟样机的技术已经不仅仅局限应用在机械设备的运动模拟之上，还充分的应用在了建筑行业、机电行业、技术优化行业的模拟运行之上。在实际的运用过程中，虚拟样机的模拟技术最主要是对产品的生命周期、系统运作等进行全面详细的分析以及评测。在虚拟样机的运作过程中，工程设计工作人员可以将CAD建模系统之上所建立成型的各项数据以及物理信息直接提供给计算机上的虚拟样机系统进行深度的模拟装配。在完全基于各项设备的基础设备之上进行集成的实验测试，对该机械设备在实际运行中运作模式以及各种实际工况进行仿真分析，从而在产品的早期就直接能够发现机械设备的中出现的不足，并将这些及时发现的缺陷进行深度的优化，或者直接改造其部分结构，使得该设备的各项性能够有一定的提升。越为复杂的机械设备，在通过虚拟样机方式进行深度的仿真放系，越能够起到更好的作用。

2、应用虚拟样机技术的优势

在以往的传统机械设计以及制造的过程中，都是先进行设计方案的理论，然后再对设计方案的图纸进行设计。在设计图纸完成之后，为了测试其设计的所有环节是否都能够全部实现，则需要先按照设计的图纸来建造一个物理的样机进行实际的侧四，只要在使用的过程中发现了任何问题，就对初稿设计的图纸进行一定的修改，再对最初制造的物理样机根据修改后的物理样机进行改进。在以往较为落后的科技手段制造行业中，只有通过这种一次又一次，周而复始的设计、返工过程中才能够使得所建造的产品能够达到理论上所使用的性能要求。这整个研发的过程是极为漫长的，所建造的机械设备还必须要完全符合煤矿产业对于机械设备的认证要求以及煤矿井下的工业实验。从而使得所建造的设备能够完全使用市场的需求、工业作业的需求。

应用虚拟样机技术研究掘进机系统的可靠性，可以实现投入传统设计方式10%的费用，达到90%的目标，且可缩短产品开发周期的40%～70%，达到提高设计人员的研发能力，节省设计时间与费用，大幅度地提高产品的可靠性及生产的安全性的目的[2]。

3、掘进机刚柔耦合虚拟样机模型的建立

以多领域建模与协同仿真技术为核心，采用基于接口的多领域建模方法，把柔性多体系统动力学仿真应用于掘进机系统的研究中。

3.1 模态中性文件的建立

基于ADAMS刚柔耦合模型的一个主要环节就是模态中性文件（MNF）的建立，可由ADAMS/AutoFlex模块创建。对于复杂的柔性体，还需利用有限元分析软件ANSYS等生成，最后通过其与动力学仿真软件ADAMS之间的数据交换接口，直接生成ADAMS中的柔性体。根据使用情况，可对掘进机截割部中的一二级减速行星架、行星轴、截割臂外筒和回转台等进行柔性体的生成。ANSYS程序在生成柔性体零件的有限元模型之后，选择外部节点，利用adams，mac宏命令可以很方便地输出ADAMS软件所需要的模态中性文件jobname.mnf，此文件包含了ADAMS中柔性体的所有信息，在ADAMS软件中直接读入此文件即可看到柔性体零件的模型。运行宏ADAMS，_NMODES生成ADAMS程序所需要的模态中性文件file.mnf中包含了柔性体的质量，质心，转动惯量，频率，振型以及对载荷的参与因子等信息，使用ADAMS/Flex Toolkit菜单栏MNF-MNF optimizer，对所建的中性文件进行优化。可以删除一些多余的节点，减小文件的大小，加快了仿真计算速度。

3.2 掘进机虚拟样机技术

系统基于Pro/E、MATLAB、ANSYS 和ADAMS联合构造的协同仿真环境，建立涵盖机械、液压等多领域的掘进机刚-柔耦合多体系统虚拟样机模型，实现了基于ADAMS的机电液复杂系统的联合仿真，为掘进机工作的可靠性研究创造条件。

4、掘进机仿形截割技术

掘进机通过截割头的旋转和悬臂的上下、左右自由摆动，带动截割头截割出所需形状的断面。掘进断面的大小取决于悬臂长度及其摆角大小。按照设计的巷道尺寸，掘进机仿形截割可获得规整的断面形状和要求尺寸，减少无用的掘进量和充填量，提高掘进效率，极大地降低巷道掘进成本，经济效益显著。基于掘进机电液一体化刚柔耦合虚拟样机，根据断面的成形过程、原理和相关参数的关系，实现掘进机断面成形的自动控制，获得实际工况下掘进机截割头的作业轨迹的包络线，直观地反映出巷道断面的成形过程及成形质量，对下一步掘进机油缸行程控制提供理论依据。

5、结语

随着虚拟样机技术在掘进机等采掘设备开发中的应用，将为复杂煤层赋存条件下工作的大型工矿装备系统模型的建立提供一种新的研究方法和手段，将会全面提高大型复杂设备的性能和竞争力，必将给矿山企业和装备制造企业带来显著的经济和社会效益，并且有助于推动我国矿山装备制造业的技术进步，提高国际竞争力。