虚拟样机技术及其在矿山机械领域的应用展望环保设备

虚拟样机技术及其在矿山机械领域的应用展望

世界经济和科学技术的飞速发展，市场全球化和竞争日益

激烈。企业为了提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发周

期，提高产品的设计质量，降低产品的开发成本，进行创新

性设计，这样才能满足市场不断变化的需求。虚拟样机技术

( Virtual Prototyping )就是在这种迫切需要的驱动下产

生的。

新产品的开发与研制涉及许多相关的学科，例如机械运

动学与动力学、人机工程学和美学等，而各个学科理论的最

优实现又相互制约。过去，为了在这方面作出权衡，需要制

造物理样机并进行试验，研究其结构与性能，并供其他人员

(如销售与管理人员)进行评价。当发现问题时，便会修改

设计方案，然后再制造物理样机、再进行样机试验。在产品

定型之前，通常要经过多次反复，这便大大增加了新产品的

开发周期和成本。产品结构越复杂，这种人力、物力及财力

的浪费越严重。而且由于物理样机的单机制造成本很高，加

上急于优先抢占市场，常常使投放市场产品的性能和功能不

够完善。

虚拟样机技术的逐渐成熟为解决这些问题提供了强有力

的工具和手段。运用这项技术，一方面可以节约时间和资

金，降低产品成本，避免不必要的浪费;另一方面可以缩短

产品的开发周期，提高产品质量，增强产品的市场竞争力。

我国的矿山机械行业常常由于新产品的开发周期长、成本

高，导致一些产品严重老化、缺乏市场竞争力，而处于一种

不景气的局面。利用虚拟样机技术及广泛开展这方面的应用

研究，将对我国矿山机械行业的进步及提高我国矿山机械产

品在国际市场的竟争力有着重要的意义。

1 虚拟样机技术

作为一种正处于探索中的新观念、新技术，目前虚拟样

机技术在国内尚没有一个统一的定义，完整的理论体系还没

有形成，对于它的研究正处于不断的深人和细化过程当中，

根据几种比较有代表性的论述可将其归纳如下：

所谓虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前，工

程师利用计算机技术建立机械系统的数字模型，进行仿真分

析并以图形显示该系统在真实工程条件下的运动特性，从而

修改并得到最优设计方案的技术。虚拟样机是一种计算机模

型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及

运动学和动力学的特性。借助于这项技术，我们可以在计算

机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在

现实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精化和优

化系统。也就是说，虚拟样机技术是利用虚拟环境在可视化

方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对产品进

行几何。功能和制造等方面交互的建模与分析。它在CAD模型

的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研制提

供了一个全新的设计方法。虚拟样机技术应贯穿在整个设计

过程当中。在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的

经验与想象结合在计算机的虚拟样机里，让想象力和创造力

充分发挥。当用虚拟样机来代替实际样机验证设计时，缩短

了开发周期，设计质量和效率也得到了提高。

传统的设计思想和方法是一个串行的过程，从设计到产

品的批量生产按照从前到后的顺序进行。这种方法存在很多

的弊端，往往是把注意力过分集中在细节上而忽略了整机性

能，从而导致最终产品存在着许多未曾估计到的问题，这必

将导致设计质量降低并造成严重浪费。现在世界范围内已经

广泛地接受了并行工程(Concurrent而却步Engineerms)的

概念，但大多数仅对单个、零部件采用并行设计方法，往往

导致整机系统效果不够理想。而虚拟样机技术强调系统层面

上的优化，该技术使产品在开发设计阶段就可以迅速分析比

较多种设计方案，测试并改进设计方案，直至获得最优工作

性能。这样，在产品质量得到提高的同时，缩短了产品开发

周期，产品的设计也更加合理、完善。

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械

系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计

算机图形技术和基于图形的用户界面技术，将分散的零部件

设计和分析技术(如零部件的CAD和Flex有限元分析)集成在

一起，提供一个更全面地研究产品工作性能的方法。它通过

设计中的反馈信息不断地指导设计，保证产品寻优开发过程

顺利进行。

可以说，诸多相关技术的进步和成熟促进了虚拟样机技

术的产生和发展。首先，虚拟样机能耗50%左右。

我国的第一汽车制造厂和第二汽车制造厂，每采用1000t

(1500万件)粉末冶金零件，可节约钢材2500t，铜材

300t;用粉末冶金材料热锻120万件行星齿轮，可节约

CrMnTi钢770t。据统计，每生产20万件粉末冶金零件，可节

约工时10万台时以上。

3 粉末冶金零件能够改善主机性能

粉末冶金材质组合设计和生产实施的自由度较高，能够

根据机械零件的使用条件设计材料和生产方法，可以赋予零

件成品用常规工艺无法得到的组织结构，使产品具有所需的

优异性能，而有利于主机性能的改善和提高。

(1)在工业车辆中，粉末热锻传动连杆，其疲劳强度优

于钢材模锻件，当运行疲劳循环次数为106时，其额定载荷可

由29kn提高到34kn。

粉末冶金热锻传动齿轮，当运行疲劳循环次数为106时，

其额定负荷扭矩为540Nm,而16nr5钢只为430Nm。用粉末冶金

材料凸轮轴，其运行疲劳循环次数可提高6~7倍。用粉末冶金

材料制造的刹车片耐磨性好，不粘结，不龟裂，刹车效能

高，可受比压为1.5MPa，摩擦系数稳定，单面单次磨损在

0.03mm以下，使用寿命可提高0.5~1.0倍。用粉末冶金材料

制造的一些耦合件具有显著优越性，如各种齿轮油泵，其齿

轮啮合性好，耐磨损，泵油效率可提高15%~20%。

(2)在铲装设备中，主传动系统变速箱的齿轮及齿轮

轴，彩粉末冶金热锻工艺制造，当运行疲劳周期为106时，，

其承载扭矩可提高15%~20%。齿轮箱的离合器、摩擦片采用粉

末冶金材料后，承受工作压力可由95MPa提高到400MPa，传递

扭矩由150Nm提高到1400Nm，使用寿命在5000h以上。工作装

置的几种轴套采用铁基粉末冶金制作，在50~100℃范围内尺

寸误差稳定，其耐磨性能比30号钢高3~4倍。如用粉末冶金材

料取代铸造青铜，磨损率可降低50%~60%。

(3)在起重运输设备中，用粉末冶金材料制成的固体润

滑轴承和高石墨青铜含油轴承，能在一IO～15℃范围内保持

稳定，耐磨性提高2倍。使主机噪声降低5～6dB。使用的粉末

冶金钨基和碳化钨基触头，具有较高硬度、抗高温熔焊、高

导电性和高导热性等优点，其寿命比铜铝合金制品高6～IO

倍。用粉末冶金材料制成的托辊密封件和轴承保持架等零

件，工艺工时减少3O%，成本降低ZOde，使用效果良好，寿

命延长2-3倍。

(4)在钻采设备中，各种钻具、切割刃具都需要较高的

硬度及耐磨性，烧结高速钢，钢结硬质合金和金属陶瓷等粉

末冶金材料可以满足要求，其价格较低而寿命较长。

用硬质合金制做钻具(如钎头、联结套等)和割齿，构

件成型比较容易，工艺简捷，成本可降低 ZO %左右;而钻凿

效率可提高3Ong，寿命延长 IO～ZO倍，钢结硬质合金可以进

行机械加工和热处理，用它制做综采机割头的有孔柱形齿和

巷道掘进机割盘的滚刀，可按工作条件要求成型，节约工时

3O%，切割效率提高ZO%一25%，其使用寿命比W18Cr4v高3—

5倍。

4 粉末冶金工艺有利于保护生产环境

如前所述，采用普通机械加工工艺制造机械零件，其金

属材料利用率仅为50%左右，大部分材料变为金属屑及其它排

遗物，这些固体废物对环境的水体、大气和土壤都会产生派

生大量的酸渣和酸气，严重污染环境。废水含有四乙基铅

(Ph[C2H]).铬酸配(CrO3、二氧化锰(MnO2 )和硫化

硒(SeS)等，其中的大量有色金属元素进人清洁用水系统

后，使水体的天然自静能力受到抑制，进而产生异味、异

臭、异色，呈现泡沫和油膜等，妨碍水系的正常利用。

如前所述，粉末冶金零件成型技术属于少切削或无切削

加工工艺，没有金属屑等固体排遗物，更没有机械加工产生

的废油，生产过程中虽有少量的粉尘和废水，但仅为普通机

械加工工艺的1/15~ l/ ZO。所以，粉末冶金零件成型工艺技

术对保护生产环境是非常有利的。

由于粉末冶金工艺技术在机械行业呈现出诸多优点，所

以近年来工业先进国家的粉末冶金工业发展速度，明显超过

传统的机械工业和冶金工业。我国通过十几年的努力，粉末

冶金工业已具有一定规模，达到一定水平。当前正重点研究

提高铁基材料、铜基材料、摩擦材料和复合材料等已有产品

的性能。同时开发各种先进的结构材料和功能材料。如精细

陶瓷、超导材料、记忆合金和超微粒材料等。努力发展快速

冷凝。机械合金化及STAMP法等新材料制造技术。只要结合工

矿机械产品开发，扩大应用领域，厂家与用户紧密结合，不

断进行使用性能、使用条件和应用范围的研究，粉末冶金工

艺技术定会获得更好的经济效益和社会效益。

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