虚拟样机技术在掘进机设计中的应用

随着掘进机在土木工程和采矿工程中的大量应用，掘进机已经成为各产煤国不可缺少的主要生产设备之一，而且各国制造、推广使用的煤、岩和煤-岩巷掘进机多以悬臂式部分断面掘进机为主。 由于掘进机的工作环境恶劣，尤其是在切割半煤岩或其它较硬的工作面时，过于强烈的振动和摆动直接影响掘进机工作可靠性和整机工作稳定性，一些关键零部件在掘进过程中常因过载或振动而损坏，机械传动部件、工作机构、液压传动部件、电控元件和截割头等，都可能因动载荷的突变而出现故障，直接影响掘进机的正常掘进工作。 尤其在复杂煤岩条件下，硬岩掘进机截齿会遇到难截物质，如硬度高、研磨性强的岩石，受到的瞬时冲击载荷很容易破坏其薄弱环节，缩短掘进机使用寿命，甚至使其无法使用。 兖州矿业（集团）公司机械制修厂和综机设备租赁站在掘进机设计中进行掘进机虚拟样机的建模和仿形截割分析，优化产品的设计并提高产品的可靠性。

⑴应用虚拟样机技术的优势

在传统的设计与制造过程中，首先是总体设计和方案论证，然后进行产品图纸设计。 设计完成后，通常要制造物理样机进行试验，发现问题后修改图纸，改进样机后再次试验。 只有通过周而复始的设计-试验-设计过程，产品才能达到所要求的性能。 这一过程是较长的，尤其结构复杂的掘进机设计周期更加漫长，还要进行煤炭安全认证和井下工业性试验， 无法适应市场的变化。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%费用，达到90%目标，可缩短产品开发周期的40%～70%，节省设计时间与费用，大幅度提高产品可靠性及生产安全性。 据美国科学研究院工程技术委员会的测算，建模与仿真技术可提高产品质量5～15 倍、 增加材料出品率25%、降低工程技术成本13%～30%、降低人工成本5%～20%、 提高投入设备利用率30%～60%、 缩短产品设计和试制周期 30%～60%。

⑵掘进机刚柔耦合虚拟样机模型

①模态中性文件的建立。 基于ADAMS 刚柔耦合模型的主要环节就是模态中性文件(MNF)的建立，可由ADAMS/AutoFlex 模块创建。 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。 根据使用情况对掘进机截割部一、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后，选择外部节点， 利用adams，mac 宏命令很方便输出ADAMS 软件所需的模态中性文件jobname.mnf。 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包含柔性体的质量、质心、转动惯量、频率、振型及对载荷的参与因子等信息。

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。

⑶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。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。以某型掘进机为工程对象，通过对其截割作业过程工艺、 工作机构几何尺寸及巷道断面尺寸的分析，将虚拟样机技术应用于掘进机器人仿形截割技术的研究中，利用ADAMS 运动学分析直观反映掘进机工作过程、断面形状、截齿运动轨迹及液压缸伸长量的对应关系，为截割断面轮廓设计提供理论依据。

①方形断面成形。在PROE 中建立模型本体架和液压缸结构， 装配到截割部模型并导入到ADAMS 中。 按照各部件间的运动关系添加约束副，定义截割头的转速，在截割头质心处添加位移运动约束函数来定义截割头的运动轨迹。设置仿真时间及步长。设置的截割头运动轨迹路线为上部中间位置-上部左侧-上部右侧-下部右侧-下部左侧-上部左侧。 滑移剐的运动曲线充分体现了运动液压缸的规律。将液压缸总长变化作为测量对象，研究截割部的运动规律，利用ADAMS点到点的测量功能，建立测量曲线。

②拱形断面成形。按照各部件间的运动关系添加约束副，同样定义截割头的转速，在截割头质心处添加位移运动约束函数来定义截割头的运动轨迹。 因拱形断面复杂，应用ADAMS 自身的steps 函数很难解决巷道上部的拱形轨迹，而采用MATLAB 生成的Spline 函数来驱动截割头的运动以形成拱形断面。设置的截割头运动轨迹路线为底部中间位置-底部右侧-上部右侧-拱形段-上部左侧-底部左侧-底部中侧。 掘进机的断面轮廓由截齿切割而成， 由于截割头的特殊形状、截齿位置和回转台角度以及抬起油缸的角度不同， 导致不同截齿截割断面轮廓的范围不同。巷道断面边界是截齿齿尖的运动轨迹边界，因此对于截齿运动轨迹边界的研究是断面形状的可靠依据，它可以使掘进机操作人员在掘进工作前便对截割巷道的断面轮廓加以掌握，为截割断面轮廓提供理论依据。