基于三维建模的掘进机管路布局设计与应用
时间：2023-02-16 08:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
高海海，张 明，马 昭，田建川，田 野，柳学猛
1中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 030006
2国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 宁夏银川 750001
以信息技术为基础的现代设计与计算机集成制造技术广泛应用于航空、航天、船舶和冶金等重要工业部门中管路系统的布置和规划[1-6]，使管路系统的设计与制造向着广泛应用三维数字模型，基于“虚拟数字化”的方向发展，管路布置过程中的各项工程分析和数据验证得到了有力的保障[7]。但是，基于三维建模的管路布局规划与设计在掘进机的研发中应用较少，掘进机管路的布局及材料的型号、数量和长度等均在整机装配现场量取和确定。
掘进机管路系统存在于截割机构、装载机构、运输机构、行走机构、液压系统、润滑系统及水系统等多个执行机构和系统中[8]，分布广泛。此外，管路中还包括各种配件，如接头座、弯头、直通、三通、四通、组合变径接头、法兰、支架、阀门和传感器组件等，使得掘进机管系零件种类繁多、约束条件复杂、布局空间多样，采用现场装配会造成设计效率低、布局效果差、生产周期长和生产成本高等问题。因此，将基于三维建模的管路布局设计技术应用于掘进机管路系统的设计中具有重要的工程实用价值和推广前景。
作为管路系统设计的指导大纲，管路设计流程可以划分为初步设计、详细设计和生产设计 3 部分，如图 1 所示。
图1 管路设计流程Fig.1 Design process flow of pipeline system
掘进机管路设计及布置需要综合考虑空间、安装、维护和成本等问题，从布局合理、操作方便安全、外观整齐和经济成本低等方面可以总结出管路的布置原则，如表 1 所列。
表1 掘进机管路布置原则Tab.1 Layout principle of pipeline system of road header
管路系统三维模型库构建流程重点涉及 4 个方面：①管路与配件参数化建模；
② 管路与配件快速调用；
③管路与配件入库；
④ 模型库优化。三维模型库构建流程如图 2 所示。
图2 三维模型库构建流程Fig.2 Construction process flow of 3D model library
掘进机管路系统一般采用柔性橡胶钢丝编织软管。液压泵站、高压过滤器、多路换向阀和各执行机构进油路之间一般采用 4 层钢丝网缠绕的高压软管；
多路阀、执行机构回油路、泄油管、润滑系统和水系统多采用 1 层或 2 层钢丝网缠绕的低压软管。常用的液压软管通径规格有 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头座、弯头、直通、三通、四通、组合变径接头、法兰、支架、阀门和传感器组件等，接口通径规格与管路保持一致。
根据上述常用管路和配件的规格型号，构建了掘进机管路系统参数化三维模型库，其中包含 20 多种不同通径的液压胶管，100 多种不同规格的管路配件。部分管路和典型配件的参数化模型如图 3 所示。
图3 掘进机部分管路与配件参数化模型Fig.3 Parameterized model of a portion of pipeline and accessories of roadheader
管路系统布局设计流程分为系统管线排布、线路检查修复和线路信息输出 3 部分。管线排布使用由参数化三维模型库导出的零部件形成子装配体，包括柔性橡胶管和配件。其中，软管线路的几何体由曲线表示，曲线和管路接头上的连接点相连，连接方式可以使用自动步路或通过手动 3D 草图创建。线路几何体的信息可以通过线路属性进行设置，其他错误可以使用线路修复模块进行检测和修复。线路排布完成后，详细线路信息和工程图可以通过线路输出模块创建。
掘进机液压系统中多路换向阀和各执行机构、先导比例手柄和主换向阀之间的液压胶管最为集中，且多路换向阀和先导比例手柄都集中安装在操作台上，操作台内空间狭小，设备繁多，约束条件复杂。因此，掘进机操作台的液压系统合理布置是整机管路系统设计的重点和难点。通过所建立的参数化三维模型库，对某型号悬臂式掘进机的操作台液压系统布局进行设计，其整体布置如图 4 所示，装配现场安装调试如图 5 所示。实际装配过程中部分元件和管路位置相对三维模型发生改动，但液压元件型号和管路长度基本是依据所建立的三维模型库选取。
图4 掘进机操作台管路系统布局示意Fig.4 Layout sketch of pipeline system of roadheader console
图5 掘进机操作台管路系统现场安装调试Fig.5 On-site assembly and debugging of pipeline system of roadheader console
基于构建的参数化三维模型库，实现了对掘进机的管路布局进行可视化的三维设计。该技术已推广应用于 EBZ220、EBZ260、EBH315 和 EBH230 等多种型号掘进机的研发生产中，有效减少了掘进机管路安装和整机装配过程中的干涉及返工等情况，提高了整机研发的速度和质量，降低了掘进机的研发成本，同时推动了掘进机研发向着自动化和智能化的方向发展。
后续研究工作将基于智能优化算法的管线布置和三维模型库优化进一步开展。
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