基于三維建模的掘進(jìn)機(jī)管路布局設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高海海，張 明，馬 昭，田建川，田 野，柳學(xué)猛

1中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

2國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 寧夏銀川 750001

以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶和冶金等重要工業(yè)部門中管路系統(tǒng)的布置和規(guī)劃[1-6]，使管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造向著廣泛應(yīng)用三維數(shù)字模型，基于“虛擬數(shù)字化”的方向發(fā)展，管路布置過(guò)程中的各項(xiàng)工程分析和數(shù)據(jù)驗(yàn)證得到了有力的保障[7]。但是，基于三維建模的管路布局規(guī)劃與設(shè)計(jì)在掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)中應(yīng)用較少，掘進(jìn)機(jī)管路的布局及材料的型號(hào)、數(shù)量和長(zhǎng)度等均在整機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)量取和確定。

掘進(jìn)機(jī)管路系統(tǒng)存在于截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及水系統(tǒng)等多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)中[8]，分布廣泛。此外，管路中還包括各種配件，如接頭座、彎頭、直通、三通、四通、組合變徑接頭、法蘭、支架、閥門和傳感器組件等，使得掘進(jìn)機(jī)管系零件種類繁多、約束條件復(fù)雜、布局空間多樣，采用現(xiàn)場(chǎng)裝配會(huì)造成設(shè)計(jì)效率低、布局效果差、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。因此，將基于三維建模的管路布局設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中具有重要的工程實(shí)用價(jià)值和推廣前景。

1 管路設(shè)計(jì)流程及布置規(guī)則

作為管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)大綱，管路設(shè)計(jì)流程可以劃分為初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì) 3 部分，如圖 1 所示。

圖1 管路設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design process flow of pipeline system

掘進(jìn)機(jī)管路設(shè)計(jì)及布置需要綜合考慮空間、安裝、維護(hù)和成本等問(wèn)題，從布局合理、操作方便安全、外觀整齊和經(jīng)濟(jì)成本低等方面可以總結(jié)出管路的布置原則，如表 1 所列。

表1 掘進(jìn)機(jī)管路布置原則Tab.1 Layout principle of pipeline system of road header

2 參數(shù)化三維模型庫(kù)構(gòu)建

管路系統(tǒng)三維模型庫(kù)構(gòu)建流程重點(diǎn)涉及 4 個(gè)方面：①管路與配件參數(shù)化建模；② 管路與配件快速調(diào)用；③管路與配件入庫(kù)；④ 模型庫(kù)優(yōu)化。三維模型庫(kù)構(gòu)建流程如圖 2 所示。

圖2 三維模型庫(kù)構(gòu)建流程Fig.2 Construction process flow of 3D model library

掘進(jìn)機(jī)管路系統(tǒng)一般采用柔性橡膠鋼絲編織軟管。液壓泵站、高壓過(guò)濾器、多路換向閥和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)油路之間一般采用 4 層鋼絲網(wǎng)纏繞的高壓軟管；多路閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)回油路、泄油管、潤(rùn)滑系統(tǒng)和水系統(tǒng)多采用 1 層或 2 層鋼絲網(wǎng)纏繞的低壓軟管。常用的液壓軟管通徑規(guī)格有 6.4、7.9、9.5、15.9、19.1、25.4、31.8、38 mm 等[9]。常用的管路配件有接頭座、彎頭、直通、三通、四通、組合變徑接頭、法蘭、支架、閥門和傳感器組件等，接口通徑規(guī)格與管路保持一致。

根據(jù)上述常用管路和配件的規(guī)格型號(hào)，構(gòu)建了掘進(jìn)機(jī)管路系統(tǒng)參數(shù)化三維模型庫(kù)，其中包含 20 多種不同通徑的液壓膠管，100 多種不同規(guī)格的管路配件。部分管路和典型配件的參數(shù)化模型如圖 3 所示。

圖3 掘進(jìn)機(jī)部分管路與配件參數(shù)化模型Fig.3 Parameterized model of a portion of pipeline and accessories of roadheader

3 管路系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)與應(yīng)用

管路系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)流程分為系統(tǒng)管線排布、線路檢查修復(fù)和線路信息輸出 3 部分。管線排布使用由參數(shù)化三維模型庫(kù)導(dǎo)出的零部件形成子裝配體，包括柔性橡膠管和配件。其中，軟管線路的幾何體由曲線表示，曲線和管路接頭上的連接點(diǎn)相連，連接方式可以使用自動(dòng)步路或通過(guò)手動(dòng) 3D 草圖創(chuàng)建。線路幾何體的信息可以通過(guò)線路屬性進(jìn)行設(shè)置，其他錯(cuò)誤可以使用線路修復(fù)模塊進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。線路排布完成后，詳細(xì)線路信息和工程圖可以通過(guò)線路輸出模塊創(chuàng)建。

掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中多路換向閥和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)、先導(dǎo)比例手柄和主換向閥之間的液壓膠管最為集中，且多路換向閥和先導(dǎo)比例手柄都集中安裝在操作臺(tái)上，操作臺(tái)內(nèi)空間狹小，設(shè)備繁多，約束條件復(fù)雜。因此，掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)的液壓系統(tǒng)合理布置是整機(jī)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)所建立的參數(shù)化三維模型庫(kù)，對(duì)某型號(hào)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的操作臺(tái)液壓系統(tǒng)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，其整體布置如圖 4 所示，裝配現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試如圖 5 所示。實(shí)際裝配過(guò)程中部分元件和管路位置相對(duì)三維模型發(fā)生改動(dòng)，但液壓元件型號(hào)和管路長(zhǎng)度基本是依據(jù)所建立的三維模型庫(kù)選取。

圖4 掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)管路系統(tǒng)布局示意Fig.4 Layout sketch of pipeline system of roadheader console

圖5 掘進(jìn)機(jī)操作臺(tái)管路系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試Fig.5 On-site assembly and debugging of pipeline system of roadheader console

4 結(jié)語(yǔ)

基于構(gòu)建的參數(shù)化三維模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)的管路布局進(jìn)行可視化的三維設(shè)計(jì)。該技術(shù)已推廣應(yīng)用于 EBZ220、EBZ260、EBH315 和 EBH230 等多種型號(hào)掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)中，有效減少了掘進(jìn)機(jī)管路安裝和整機(jī)裝配過(guò)程中的干涉及返工等情況，提高了整機(jī)研發(fā)的速度和質(zhì)量，降低了掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)成本，同時(shí)推動(dòng)了掘進(jìn)機(jī)研發(fā)向著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。

后續(xù)研究工作將基于智能優(yōu)化算法的管線布置和三維模型庫(kù)優(yōu)化進(jìn)一步開(kāi)展。