隨著掘進機在土木工程和采礦工程中的大量應用，掘進機已經成為各產煤國不可缺少的主要生產設備之一，而且各國制造、推廣使用的煤、巖和煤-巖巷掘進機多以懸臂式部分斷面掘進機為主。 由于掘進機的工作環(huán)境惡劣，尤其是在切割半煤巖或其它較硬的工作面時，過于強烈的振動和擺動直接影響掘進機工作可靠性和整機工作穩(wěn)定性，一些關鍵零部件在掘進過程中常因過載或振動而損壞，機械傳動部件、工作機構、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，直接影響掘進機的正常掘進工作。 尤其在復雜煤巖條件下，硬巖掘進機截齒會遇到難截物質，如硬度高、研磨性強的巖石，受到的瞬時沖擊載荷很容易破壞其薄弱環(huán)節(jié)，縮短掘進機使用壽命，甚至使其無法使用。 兗州礦業(yè)（集團）公司機械制修廠和綜機設備租賃站在掘進機設計中進行掘進機虛擬樣機的建模和仿形截割分析，優(yōu)化產品的設計并提高產品的可靠性。

⑴應用虛擬樣機技術的優(yōu)勢

在傳統(tǒng)的設計與制造過程中，首先是總體設計和方案論證，然后進行產品圖紙設計。 設計完成后，通常要制造物理樣機進行試驗，發(fā)現(xiàn)問題后修改圖紙，改進樣機后再次試驗。 只有通過周而復始的設計-試驗-設計過程，產品才能達到所要求的性能。 這一過程是較長的，尤其結構復雜的掘進機設計周期更加漫長，還要進行煤炭安全認證和井下工業(yè)性試驗， 無法適應市場的變化。應用虛擬樣機技術研究掘進機系統(tǒng)的可靠性，可以實現(xiàn)投入傳統(tǒng)設計方式10%費用，達到90%目標，可縮短產品開發(fā)周期的40%～70%，節(jié)省設計時間與費用，大幅度提高產品可靠性及生產安全性。 據美國科學研究院工程技術委員會的測算，建模與仿真技術可提高產品質量5～15 倍、 增加材料出品率25%、降低工程技術成本13%～30%、降低人工成本5%～20%、 提高投入設備利用率30%～60%、 縮短產品設計和試制周期 30%～60%。

⑵掘進機剛柔耦合虛擬樣機模型

①模態(tài)中性文件的建立。 基于ADAMS 剛柔耦合模型的主要環(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仿真軟件ADAMS 之間的數(shù)據交換接口，直接生成ADAMS 中的柔性體。 根據使用情況對掘進機截割部一、二級減速行星架、行星軸、 截割臂外筒和回轉臺等進行柔性體的生成。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， 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包含柔性體的質量、質心、轉動慣量、頻率、振型及對載荷的參與因子等信息。

②掘進機虛擬樣機技術系統(tǒng)。 基于Pro／E、MATLAB、ANSYS 和 ADAMS 聯(lián)合構造的協(xié)同仿真環(huán)境，建立涵蓋機械、液壓等多領域的掘進機剛-柔耦合多體系統(tǒng)虛擬樣機模型， 實現(xiàn)了基于ADAMS 的機電液復雜系統(tǒng)的聯(lián)合仿真， 為掘進機工作的可靠性研究創(chuàng)造條件。

⑶掘進機仿形截割技術

掘進機通過截割頭的旋轉和懸臂的上下、左右自由擺動， 帶動截割頭截割出所需形狀的斷面。掘進斷面的大小取決于懸臂長度及其擺角大小。 按照設計的巷道尺寸，掘進機仿形截割可獲得規(guī)整的斷面形狀和要求尺寸，減少無用的掘進量和充填量?；诰蜻M機電液一體化剛柔耦合虛擬樣機，根據斷面的成形過程、原理和相關參數(shù)的關系，實現(xiàn)掘進機斷面成形的自動控制，獲得實際工況下掘進機截割頭的作業(yè)軌跡的包絡線，直觀反映出巷道斷面的成形過程及成形質量，對下一步掘進機油缸行程控制提供理論依據。以某型掘進機為工程對象，通過對其截割作業(yè)過程工藝、 工作機構幾何尺寸及巷道斷面尺寸的分析，將虛擬樣機技術應用于掘進機器人仿形截割技術的研究中，利用ADAMS 運動學分析直觀反映掘進機工作過程、斷面形狀、截齒運動軌跡及液壓缸伸長量的對應關系，為截割斷面輪廓設計提供理論依據。

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

②拱形斷面成形。按照各部件間的運動關系添加約束副，同樣定義截割頭的轉速，在截割頭質心處添加位移運動約束函數(shù)來定義截割頭的運動軌跡。 因拱形斷面復雜，應用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)來驅動截割頭的運動以形成拱形斷面。設置的截割頭運動軌跡路線為底部中間位置-底部右側-上部右側-拱形段-上部左側-底部左側-底部中側。 掘進機的斷面輪廓由截齒切割而成， 由于截割頭的特殊形狀、截齒位置和回轉臺角度以及抬起油缸的角度不同， 導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動軌跡邊界，因此對于截齒運動軌跡邊界的研究是斷面形狀的可靠依據，它可以使掘進機操作人員在掘進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。