虚拟原型技术在综采配套设计中的应用.pdf

2 0 0 4年第 1 1 期 煤 矿 机 械 9 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 O O 4 1 1 - 0 0 0 9 ． 0 2 虚拟原型技 术在综采配套设计 中的应用 挛 书 亮 ，耿 卫 东 1 ． 平煤集 团设备租赁公 司 ，河南 平 顶山 4 5 2 3 8 5 ；2 ． 上海创力 矿山设备 有限公司 ，上海 2 0 1 1 02 摘 要 介绍了虚拟原型 V i r t u a l P r o t o t y p e 技 术的基本概 念， 分析 了国内综采配套设计 的现 状 ， 详细阐述 了虚拟原型技 术在综采配套设计应用中的性能指标、 虚拟原型的实现及关键技术。探 索虚拟原型技术在该领域的应用前景。 关键词 虚拟原型 ；综采配套；建模技术 中图号 T D 4 2 1 文献标识码A 1 前 言 通常， 在设计制造任何产品时， 有个 叫“ 原 型机” 的环节 。所谓“ 原型机” 是指对 于新型号或 新设 计 时， 在结构上构造一个全功能的物理装置， 其他同类 产品由此模仿或发展而来。通过这个装置 ， 检验各 部件的设计性能以及 部件之间的兼容性 。 并检查整 机的设计能力。而所谓 “ 虚拟原型机” V i rt u a l P ro t o ． t y p e简称“ V P ” 就是利用计算机技术 。 通过构造一个 数字化的原型机来完成物理原型机的功能。 2国内综采配套设计现状分析 近年来 ， 国外综合机械化采煤技术得到飞速发 展和完善 ， 整个行业的发展趋势是建设高产 、 高效工 作面 ， 提高整个 行业的经济效益 。这对综采工作面 配套设 计提 出新 的要 求 即 “ 快 速、 准确、 可行、 经 济” ， 以适应市场 经济 的要求。但是 ， 目前 国内进行 综采工作面三机配套设计所面临的主要 问题有 1 复杂性工作面条件及布置形式的多样性 ， 而组成综采工作面三机设备的每一种机械设备已发 展成不 同品种和规格的产品， 分别 由不同的专业工 厂生产 包 括 国内和 国外 的许 多厂商 。产品的性 能、 质量和价格各 异， 且都有严格限定 的适用条件 ， 比如煤层 的厚度 、 倾角、 局部构造情况 包括断层 、 煤 层厚度变化和含矸情况 、 顶板和底板 的岩性等 ， 对 于工作面三机的选型起着决定性影响。 2 协调性 工作 面三机设备结构上需要相互 配合和联系， 作业上需要协调和配合 ， 且具有较强的 配套要求和较高的可靠性要求 。 3 经济性 工作 面三机设备的购置和维修费 用很高。因配套不合理将造成重大的经济损失。 国内工作面设备配套设计的水平仍然停留在经 验设计和手工操作 阶段 ， 与国外先进水平存在一定 差距 ， 不能很好地解决所面临的问题 。随着计算机 深入应用到煤矿各个领域 ， 三维 C A D造型和动画效 果的快速发展， 实用且功能强大的 C A D辅助设计必 然成为其 中一个重要 的应用领域。如何将虚拟原型 技术应用到工作面三机配套设计 中， 通过构造一个 数字化的综采工作面三机设备的模 型， 在设计 的每 个阶段及时地检查设备配套合理性 、 可靠性 ， 这对使 用者评价设备的技术性能和经济效益 ， 减少设备 的 投资风险是十分必要。 3 虚拟原型技术应用于综采配套设计 3 ． 1 综采配套虚拟原型的性能指标 虚拟原 型技术应用 于综采工作 面三机 配套设 计 ， 利用该项虚拟原 型， 计算机系统应 能达到 设计 者能利用该项虚拟技术进行综采工作面的三机配套 设计， 及时维护和添加数据库 ； 项 目管理者能进行性 能分析和评价 ， 并将评价结果反馈给设计者 ； 用户能 在综采设备 配套的最初阶段就 能看到设备 配套结 果 ， 并对使用性能及经济性评价 ， 作 出正确的决策 ， 减少投资的风险。 3 ． 2综采 配套 虚拟 原型 的 实现 根据上述虚拟原型的定义 ， 实现综采工作 面三 机配套设计 的虚拟原型 的主要任 务是利用 当前 的 C A D技术 。根据用 户的地质条 件及采煤工 艺参数 的要求 ， 在计算机上构筑 出综采工作 面三机 配套设 计的数字模型。该模 型应包括 以下 内容 设备 的型 号、 主要技术参数 、 设备的主要部件 的结构及尺寸、 三机配套 的协调性等， 是一个完整的可视化 的数字 配套设计 的模 型。在构筑起可视化模型之后 ， 可对 该原型机进行 主要性能和经济技术指标 的分析和评 价等。该数字模型是一个虚拟 的设计集成平 台， 该 平台是建立在 Wi n d o w s 操作平 台之上 ， 主要包括综 采工作面三机配套设计集成平 台 用 户界 面 、 虚拟 原型机模块 、 数据应用模块 、 设备 优选模块 及专家 “ 知识” 规则 库等功能。根据上 述的定义及 基本功 能， 综采工作面三机配套设计的虚拟原 型机可用 图 l 表示 。 图 1 虚拟原型机的功能流程 图 F I g - 1 F U l l O i l n o ’ r i n g d l i m mm o f v i r t u a l p r o t o t y p e 3 ． 3 解 决的 关键 技 术 维普资讯 l 0 虚拟原型技术在综采配套设计中的应用李书亮 ， 等 2 0 0 4年第 l 1 期 根据我国 目前综采工作面三机配套设计的理论 和技术水平及虚拟原型机的定义， 将虚拟原型技术 应用于综采配套设计 ， 必须解决如下关键技术。 3 ． 3． 1 建模技术 实现综采工作面三机配套设计的虚拟原型的基 础是建立工作面三机的数学模型。根据该原型机的 功用 ， 对该原型机应建立如下几方面的模型。 1 设备模型 设备模型应 包括 ①设备 的主要参数 、 性 能指 标、 适用条件、 使用 范围等信息 ； ②设备 的几何结构 参数 ； ③生产厂家及设备参考价格等相关信息 ； ④能 够使团队成员共享 的公用数据库中的信息； 2 工作面三机的参数化结构模型 该原型机应能最大程度地虚拟各类产品的配套 设计 ， 所以， 在建立每一种“ 单机” 的模型时 ， 应尽可 能多地搜集专业厂家的设备 ， 对此加以分类编码 ， 相 关信息应能在设备模 型中反映， 构造 一个全功能的 工作面三机配套设计的虚拟原型机 。在结构模型建 立时 ， 应将与配套有关 的结构尺寸 ， 如采高范围、 过 煤空间等形成参数化 ， 这些参数应 能与具体设备全 数据相关 ， 并 随配套机 型的不 同， 实现 尺寸驱动修 改。 3 工作面三机联动配套的三维分析技术 该技术 将利用 S o l i d Wo r k s 3 D C A D平 台对该原 型进行参数化造型 ， 所提取的几何参 数均对应于数 据库 中的设备几何参数表， 所选机型变化 ， 虚拟原型 机的三维模型也随之改变。并利用 V B语言编程实 现用户界面、 数据库与 S o l i d Wo r k s 软件之间的接 口。 在此基础上进行二次开发， 建立应用分析模块 ， 能模 拟井下实际工况 ， 在用户要求的工作面条件下 ， 建立 的运动学方程 ， 进行实时仿真 ， 并可生成三维实体模 型进行运动干涉检查 。 3 ． 3 ． 2 计算机辅助评价和决策技术 1 设备的使用性能分析与评价 在构筑起可视化模 型后 ， 可对该 虚拟的原型进 行性能分析和评价 ， 其中包括 ①综采工作面三机配 套的运动协调性分析 ； ② 配套设备在恶劣的井下工 作面条件的适应能力 的评价 ； ③采煤机斜切进刀及 过刮板输送机机头 、 机尾的运动干涉检查 ； ④工作面 配套三机 一围岩耦合过程的可视化仿真分析。 2 工作面配套三机的经济技术分析 设备 的使用性能指标是首要的， 但是用户 购置 工作面设备的费用是很 昂贵 的， 所 以设备选 型设计 时必须考虑经济技术指标 。其 中包括 ①购置 三机 设备的费用比分析 ； ②工作 面配套三机 的生产 能力 的合理性分析 ； ③用户投入与产 出比分析。 只有在此基础上 ， 通过互 为矛盾的影响指标 ， 才 能对设计方案进行优化设计 、 定量的评价， 从而作 出 正确的决策。 3 ． 3 ． 3 工作面三机 配套设计的虚拟原型的 系统集 成技术 虚拟原型的实施需要将计算机、 数据库 、 操作系 统及 C A D工具集成起来， 构成一个适合并行工作的 计算机环境。应达到如下 目标 I 采用适应合作开发的接 口和协议 ； 2 使数据库、 知识库及推理机实现共享 ； 3 能够对虚拟原型进行参数化、 三维实体造型 的实时仿真。 4结 语 综上所述 ， 虚拟原型技术应用于综采工作 面三 机配套选型领域上， 作为配套设计的辅助工具 ， 使设 计者能利用该项虚拟技术进行综采工作面的三机配 套设计 ； 项 目管理者能对工作 面设备进行性 能分 析 和评价 ， 并将评价结果反馈给设计者； 用户能在综采 设备配套的最初阶段就能看到设备配套结果 ， 并对 使用性能及经济性评价， 作出正确的决策 ， 减少投资 的风险。从而使我国的综采配套设计的整体水平上 一 个新台阶， 接近 国际先进 ， 达到 国内领先水平 ， 加 速我 国综采技术的进步和发展 ， 为煤炭工业 的腾 飞 作贡献。 参考文献 [ I ] 陈守基 ． 虚拟原型技术及其应用 [ J ] ． 测控技术 ， 1 9 9 8 ， 1 1 5 1 7 ． [ 2 ] 采煤 机 与输 送 机 配套 关 系对 装煤 效 果 的影 响 [ J ] ． 煤 炭 开 采 ， 1 9 9 8 ， 3 3 1 3 3 ． [ 3 ] 陶弛东 ． 综采 设备 选 型配套 的原 则和 方法 [ J ] ． 煤 矿机 电 ， 1 9 9 6 ， 1 S一 7 ． 作者简介 李书亮 1 9 6 9一 ， 河南平顶 山人 ， 1 9 9 2年毕业 于山东 科技大学机电学院， 现在平煤集团设备租赁公司从事设备管理工作 ． Te h0 3 7 52 7 4 9 1 4 9． E- m a i l l i s h u l i a n g 1 9 6 9 s i n a． t o m ． 收稿 日期 2 0 0 4 ． 0 4 - 2 3 Ap p l i c a t i o n o f v i r t ua l pr o t o t y p e t e c h n o l o g y i n f u ll y m e c h a n i z e d e q mp me n t ma t i n g d e s i g n LI Sh u - l i a n g ．GENG W e i - do n g 2 1 ． E q u i p m e n t I a s e h o l d C o m p a n y o f P i n g d i n g s h a n C o a l G r o u p ． P i l[1 g d i n g s l l 8 I l 4 5 2 3 8 5 ． C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i C h u ang l i M i n i n g E q u i p m e n t C o ． ． L t d ． ． S h a n g h ai 2 0 1 1 0 2 。 C h i n a } Abs t r a c t Th e c o n c e p t o f v i r t u a l p r o t o t y p e t e c h n o l o g y Wa S i n t r o d u c e d。 a n d t he c u r r e n t s i t u a t i o n o f f u l l y me c h a n i z e d e q ui p me n t ma t i n g d e s i g n W a S a n a l y z ed ． Th e p e rf o r ma n c e o f v i rt u al p r o t o t y p e t e c h n o l o g y a p p l i ed i n ma t i n g d esi gn a n d i t s r e ali z a ti o n 8 s we l l a s t h e k e y t e c h n o l o g y we r e e l a b o r a t e d i n d e t a i l ． Th e a p p l i c a ti o n p r o s pe c t o f v i rtu al p r o t o t y pe i n the a r e a wa s d i s c u s s e d． Ke y wo r d s v i rt u al p r o t o y p e；f u l l y me c h a n i z e d e q u i p me n t ma t i n g；mo d e l b u i l d i n g t e c hn o l o g y 维普资讯