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摘 要：掘进机是一种较为常见的工程机械，在土木工程领域、采矿领域都有着广泛应用。不断改进掘进机结构，提高掘进机性能是掘进机设计人员的职责。目前在高新科技的推动下，掘进机设计方法越来越现代化，虚拟技术逐渐被应用在设计研发中。现本文就主要探讨了虚拟样机技术在掘进机设计中的应用问题。
关键词：虚拟样机；技术；掘进机；设计；应用
一般来讲，掘进机的工作环境都相对较为恶劣，因此这就要求掘进机必须要具备较高的性能，以此来应对各种复杂的地质情况，如面对一些土质较硬的工作面，掘进机的截割头或者截齿都可能会损坏，掘进机的整体工作效率也会大打折扣。为了解决这些问题，尽可能的提高掘进机的工作稳定性，技术人员决定在设计中引入虚拟样机技术，通过模拟工作的形式来检验掘进机的工作性能，并根据模拟结果中存在的问题对掘进机进行改进。
1、虚拟样机技术
所谓虚拟样机技术，顾名思义，是一种虚拟状态下的技术应用。其就是在在机械的研发设计过程中，利用计算机建模，将机械的各部分零件性能都按照一定参数标注出来，形成一个虚拟的样机。并在计算机的相应模型软件上对该样机进行工况仿真分析，以此来掌握机械性能，为改进机械性能设计，优化机械结构提供重要依据。这是一种在计算机技术上形成的新的产品研发技术，主要应用了建模、仿真、CAD制图技术、有限元分析技术以及机械运动学、动力学等多种技术和理论。虚拟样机技术实现了机械研发到生产再到应用的整个生命周期的性能分析，能够对机械进行多方面的测试，对其性能进行全方位的分析和评估。
在该技术的应用中，设计人员可以通过CAD软件所得出的各种机械零件的工况，在计算机上将各种机械零件虚拟装配在一起。并将机械的各个系统部位连接起来，如液压系统、电气系统以及控制系统等，这样就可以实现模拟的机电液一体化设计。之后再利用该虚拟样机进行仿真模拟工作，对机械使用过程中的工况进行分析，并找出其在运行中可能会出现的问题，再对该问题进行改进完善，之后再进行模拟运行，以此来不断完善机械性能，直到设计出最佳的机械方案为止。采用这种虚拟样机技术进行机械设计，不但可以极大的简化设计环节，提高设计效率，更重要的是其能够在最低的成本上获得最优的设计方案。这一技术的应用改写了机械设计的发展历史，带领机械设计进入了一个全新的信息时代。目前来讲，这种设计技术是最优越的一种设计技术，尤其是在复杂的产品设计中这种优势更加明显。
2、虚拟样机技术在掘进机设计中的应用优势
从上述分析中我们可以得知虚拟样机技术是建立在计算机基础上的，实现了无纸设计。这与传统的掘进机设计方式完全不同。因为在以往的掘进机设计中，需要先设计再制造出物理样机，再进行实际测试和检验，发现问题再修改，然后再改进实体样机，再试验，如此循环直到设计出最后的方案。这种设计模式不但需要的周期长，耗费人工量大，花费成本高，而且还不能完全保证掘进机的设计质量。而应用虚拟样机技术之后则很好的解决了这些问题。虚拟样机技术的应用不但使掘进机的性能更加完善，工作更加可靠，系统更加稳定，而且其极大的降低了设计成本，缩短了开发周期。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%，提高投人设备利用率30%-60 %，缩短产品设计和试制周期30%-60%等。
3、掘进机刚柔藕合虚拟样机模型的建立
3.1模态中性文件的建立
基于ADAMS刚柔藕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，mae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-柔藕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
4.1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一上部左侧一上部右侧一下部右侧一下部左侧一上部左侧。
滑移副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。
4.2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；teal。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。方法为：应用MATLAB程序生成.txt文本，在ADAMS中将文本导人，以样条曲线形式加载和驱动，Y，Z向驱动函数。
设置的截割头运动轨迹路线为底部中间位置一底部右侧一上部右侧一拱形段一上部左侧一底部左侧一底部中侧。
ADAMS可以清楚的表示截割头质心的运动轨迹，返回ADAMS-VIEW界面利用GUI命令中的review-create trace spun。命令建立截割头质心的三维运动空间曲线，轨迹线断面的投影即是设置的拱形运动轨迹线。
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。
5、结语
总之，在掘进机的设计中应用虚拟样机技术是一种非常先进的设计方法，具有传统设计方法所不能比拟的优越性。目前虚拟样机技术的应用还不够成熟完善，相信在计算机信息技术的等高新技术的不断发展下，虚拟样机技术还将会有更大提升，从而为提高掘进机的性能提供重要技术保障。■
参考文献
[1] 杨作万，魏兴春，张丽琼. 虚拟样机技术概述[J]. 新技术新工艺. 2011（04）
[2] 彭广林. 机械设计中虚拟样机技术的有效运用[J]. 科技致富向导. 2011（11）
[3] 曹铎. 基于虚拟样机技术的泥水平衡式全断面掘进机仿真研究[D]. 东北大学 2011
关键词：虚拟样机；技术；掘进机；设计；应用
一般来讲，掘进机的工作环境都相对较为恶劣，因此这就要求掘进机必须要具备较高的性能，以此来应对各种复杂的地质情况，如面对一些土质较硬的工作面，掘进机的截割头或者截齿都可能会损坏，掘进机的整体工作效率也会大打折扣。为了解决这些问题，尽可能的提高掘进机的工作稳定性，技术人员决定在设计中引入虚拟样机技术，通过模拟工作的形式来检验掘进机的工作性能，并根据模拟结果中存在的问题对掘进机进行改进。
1、虚拟样机技术
所谓虚拟样机技术，顾名思义，是一种虚拟状态下的技术应用。其就是在在机械的研发设计过程中，利用计算机建模，将机械的各部分零件性能都按照一定参数标注出来，形成一个虚拟的样机。并在计算机的相应模型软件上对该样机进行工况仿真分析，以此来掌握机械性能，为改进机械性能设计，优化机械结构提供重要依据。这是一种在计算机技术上形成的新的产品研发技术，主要应用了建模、仿真、CAD制图技术、有限元分析技术以及机械运动学、动力学等多种技术和理论。虚拟样机技术实现了机械研发到生产再到应用的整个生命周期的性能分析，能够对机械进行多方面的测试，对其性能进行全方位的分析和评估。
在该技术的应用中，设计人员可以通过CAD软件所得出的各种机械零件的工况，在计算机上将各种机械零件虚拟装配在一起。并将机械的各个系统部位连接起来，如液压系统、电气系统以及控制系统等，这样就可以实现模拟的机电液一体化设计。之后再利用该虚拟样机进行仿真模拟工作，对机械使用过程中的工况进行分析，并找出其在运行中可能会出现的问题，再对该问题进行改进完善，之后再进行模拟运行，以此来不断完善机械性能，直到设计出最佳的机械方案为止。采用这种虚拟样机技术进行机械设计，不但可以极大的简化设计环节，提高设计效率，更重要的是其能够在最低的成本上获得最优的设计方案。这一技术的应用改写了机械设计的发展历史，带领机械设计进入了一个全新的信息时代。目前来讲，这种设计技术是最优越的一种设计技术，尤其是在复杂的产品设计中这种优势更加明显。
2、虚拟样机技术在掘进机设计中的应用优势
从上述分析中我们可以得知虚拟样机技术是建立在计算机基础上的，实现了无纸设计。这与传统的掘进机设计方式完全不同。因为在以往的掘进机设计中，需要先设计再制造出物理样机，再进行实际测试和检验，发现问题再修改，然后再改进实体样机，再试验，如此循环直到设计出最后的方案。这种设计模式不但需要的周期长，耗费人工量大，花费成本高，而且还不能完全保证掘进机的设计质量。而应用虚拟样机技术之后则很好的解决了这些问题。虚拟样机技术的应用不但使掘进机的性能更加完善，工作更加可靠，系统更加稳定，而且其极大的降低了设计成本，缩短了开发周期。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%，提高投人设备利用率30%-60 %，缩短产品设计和试制周期30%-60%等。
3、掘进机刚柔藕合虚拟样机模型的建立
3.1模态中性文件的建立
基于ADAMS刚柔藕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，mae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-柔藕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
4.1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一上部左侧一上部右侧一下部右侧一下部左侧一上部左侧。
滑移副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。
4.2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；teal。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。方法为：应用MATLAB程序生成.txt文本，在ADAMS中将文本导人，以样条曲线形式加载和驱动，Y，Z向驱动函数。
设置的截割头运动轨迹路线为底部中间位置一底部右侧一上部右侧一拱形段一上部左侧一底部左侧一底部中侧。
ADAMS可以清楚的表示截割头质心的运动轨迹，返回ADAMS-VIEW界面利用GUI命令中的review-create trace spun。命令建立截割头质心的三维运动空间曲线，轨迹线断面的投影即是设置的拱形运动轨迹线。
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。
5、结语
总之，在掘进机的设计中应用虚拟样机技术是一种非常先进的设计方法，具有传统设计方法所不能比拟的优越性。目前虚拟样机技术的应用还不够成熟完善，相信在计算机信息技术的等高新技术的不断发展下，虚拟样机技术还将会有更大提升，从而为提高掘进机的性能提供重要技术保障。■
参考文献
[1] 杨作万，魏兴春，张丽琼. 虚拟样机技术概述[J]. 新技术新工艺. 2011（04）
[2] 彭广林. 机械设计中虚拟样机技术的有效运用[J]. 科技致富向导. 2011（11）
[3] 曹铎. 基于虚拟样机技术的泥水平衡式全断面掘进机仿真研究[D]. 东北大学 2011