基于DELMIA的放頂煤液壓支架維修仿真與評價(jià)設(shè)計(jì)

陳鳳　雷宇　鄭謙

摘要：放頂煤液壓支架是煤礦開采中的重要工具，文章對山西某煤炭開采企業(yè)某型放頂煤液壓支架進(jìn)行維修性研究，通過DELMIA軟件搭建仿真維修平臺，基于現(xiàn)實(shí)維修步驟操作維修虛擬人對放頂煤液壓支架進(jìn)行虛擬維修，并對維修過程進(jìn)行人機(jī)工效學(xué)的可視性、可達(dá)性與舒適度分析和評價(jià)，為企業(yè)在進(jìn)行放頂煤液壓支架維修時(shí)提供參考。

關(guān)鍵詞：液壓支架；DELMIA；人機(jī)工效學(xué)；維修仿真

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言放頂煤液壓支架是煤礦開采企業(yè)常用的生產(chǎn)工具，其常年工作于煤礦井下，工作環(huán)境惡劣，使用頻度高，容易損壞。常見的故障包括供液問題、液壓元件問題、操縱問題、膠管及管接頭問題等，需要經(jīng)常進(jìn)行維修保養(yǎng)［1］。放頂煤液壓支架的維修保養(yǎng)最常采用的方式是換件維修，即將損壞的零件從放頂煤液壓支架整體中拆除下來，更換為滿足工況要求的零件，安裝后再進(jìn)行調(diào)試。由于放頂煤液壓支架在維修保養(yǎng)期間，會使煤礦開采企業(yè)減少一部分可采掘的區(qū)域甚至停工停產(chǎn)，因此，放頂煤液壓支架維修拆卸的效率與質(zhì)量直接影響了煤礦開采企業(yè)的經(jīng)營效益。在工業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家，約有3成的勞動力在從事機(jī)械相關(guān)的工作，并且其花費(fèi)在產(chǎn)品拆卸和裝配上的時(shí)間約占全部生產(chǎn)時(shí)間的4成到6成，企業(yè)在產(chǎn)品拆卸和裝配上付出的成本超過40%［2］。為了提高放頂煤液壓支架維修拆卸的效率，可以對放頂煤液壓支架的維修性進(jìn)行分析評價(jià)和優(yōu)化。

1研究現(xiàn)狀對于小型設(shè)備，維修性分析方法通常是對物理樣機(jī)進(jìn)行手工測量和實(shí)驗(yàn)，這種方法雖然可以直觀地得到分析結(jié)果，但和自動化方法相比，操作較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易受到場地和操作空間的約束，無法快速方便地進(jìn)行維修性分析和評價(jià)工作。由于放頂煤液壓支架設(shè)備較為龐大，無法完全采用物理樣機(jī)分析的形式進(jìn)行維修性分析評價(jià)。

對放頂煤液壓支架這類大型機(jī)械設(shè)備的維修性評估，可以采用DELMIA虛擬仿真分析的方法來進(jìn)行，DELMIA軟件是法國達(dá)索公司設(shè)計(jì)開發(fā)的三維數(shù)字化虛擬仿真軟件。王占海等［3］通過DELMIA軟件設(shè)計(jì)了可交互的虛擬維修方式，建立維修場景和過程，并將其應(yīng)用于飛機(jī)維修性分析和評價(jià)。何春華等［4］通過DELMIA平臺建立了視錐分析模型，首先確定物體的視野范圍，然后測量物體視野被遮擋的情況，最后通過遮擋占比來確定最終的可視性評分，但僅從可視性單方面無法全面完整地描述物體的維修性評價(jià)。

楊瓊［5］研究了飛機(jī)的虛擬維修仿真，通過DELMIA平臺創(chuàng)建維修工具、維修工人和維修設(shè)備，并在虛擬維修環(huán)境中進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的虛擬維修及評價(jià)，但僅通過可達(dá)性進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果較為片面。

徐張桓等［6］采用DELMIA軟件平臺研究了航空發(fā)動機(jī)的裝配過程，介紹了虛擬裝配的過程邏輯，并以航空發(fā)動機(jī)的虛擬裝配過程為例進(jìn)行了仿真，分析了裝配過程中的可達(dá)性與疲勞度。

2放頂煤液壓支架維修仿真體系結(jié)構(gòu)DELMIA軟件是一款結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、為企業(yè)提供系統(tǒng)解決方案的軟件，它在維修仿真與人機(jī)工效學(xué)分析中主要會用到DEP（DELMIA Process Engineer）工藝工程模塊、DPM（DELMIA DPM ENVISION Assembly）裝配模塊以及Ergonomics（Ergonomics Design & Analysis）人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)與分析模塊，這3個(gè)模塊也可以獨(dú)立使用。

放頂煤液壓支架維修仿真系統(tǒng)主要通過以下6個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：（1）對放頂煤液壓支架設(shè)備的維修方法進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)放頂煤液壓支架維修時(shí)進(jìn)行的動作。（2）對現(xiàn)場維修人員體貌特征進(jìn)行測量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)搭建符合現(xiàn)場維修人員體貌體征的維修虛擬人。（3）對現(xiàn)場維修環(huán)境進(jìn)行測量與記錄，在DELMIA軟件中搭建與真實(shí)環(huán)境相似的仿真維修環(huán)境。（4）對液壓支架設(shè)備進(jìn)行集成信息模型的建立，結(jié)合前3個(gè)步驟就構(gòu)成了模擬仿真維修系統(tǒng)。（5）在技術(shù)專家的指導(dǎo)下，現(xiàn)場維修人員進(jìn)行放頂煤液壓支架設(shè)備現(xiàn)場維修作業(yè)活動。（6）基于步驟5，采用模擬仿真維修系統(tǒng)對液壓支架設(shè)備現(xiàn)實(shí)維修作業(yè)活動進(jìn)行抽象，構(gòu)成完整的閉環(huán)。

3液壓支架維修仿真流程3.1維修仿真場景搭建進(jìn)行維修仿真的首要任務(wù)，是搭建液壓支架維修仿真場景。打開軟件，點(diǎn)擊軟件上部菜單欄中的“新建”按鈕，點(diǎn)擊“product”按鈕后按下回車鍵創(chuàng)建新的product。在軟件界面左側(cè)的樹狀菜單中找到剛創(chuàng)建的product，單擊“部件”，單擊“現(xiàn)有部件”，導(dǎo)入通過其他三維建模軟件繪制的放頂煤液壓支架模型、人體模型及維修工具模型等。

單擊AEC Plant工廠布局模塊中的Plant Layout中的區(qū)域進(jìn)行放頂煤液壓支架維修仿真場景的建立，參照放頂煤液壓支架現(xiàn)實(shí)維修環(huán)境，搭建仿真維修地面場景。Area Creation場景創(chuàng)建參數(shù)中類型選擇“Area”，X length設(shè)置為15 000 mm，Y length設(shè)置為15 000 mm，Height設(shè)置為0 mm，即可創(chuàng)建一個(gè)仿真維修平面環(huán)境。搭建完成后的白色區(qū)域即為仿真維修作業(yè)環(huán)境，如圖1所示。

3.2建立標(biāo)準(zhǔn)人體虛擬人模型在完成液壓支架虛擬維修環(huán)境創(chuàng)建后，需要?jiǎng)?chuàng)建維修虛擬人模型。由于DELMIA軟件提供的人體模型與液壓支架實(shí)際作業(yè)的維修人員身高、體重等生理特征差距較大，難以模擬出較為精確的維修動作，因此根據(jù)《中國成年人人體尺寸》中的我國人均生理特征標(biāo)準(zhǔn)來重新建立與液壓支架實(shí)際維修人員較為接近的維修虛擬人模型。

創(chuàng)建后綴為.sws的文本文件，根據(jù)GB 10000—1988標(biāo)準(zhǔn)在其中錄入我國人體數(shù)據(jù)，其文件協(xié)議解析規(guī)則為：“MEAN_STDEV M”表示維修人員為男性時(shí)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，可以錄入數(shù)據(jù)“MEAN_STDEV M us100 177.0 6.1”；“MEAN_STDEV F” 表示維修人員為女性時(shí)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，可以錄入數(shù)據(jù)“MEAN_STDEV F us100 165.0 5.9”；從維修人員站立的平面到維修人員身體最頂端的平面的垂線距離定義為“us100”；維修人員坐下后腹部最遠(yuǎn)端的點(diǎn)與身體平行的平面與背部同一高度的點(diǎn)與身體平行的平面之間的距離定義為“us2”，體重定義為“us125”。

打開DELMIA軟件中的“human builder”界面，選擇“human measurements Editor”，在“Anthropometry”界面下點(diǎn)擊“添加”按鈕導(dǎo)入上述sws文件。點(diǎn)擊“insert a new Manikin”，點(diǎn)擊“optional”界面，在“population”中選擇上述導(dǎo)入的sws文件，即成功創(chuàng)建了一個(gè)較為符合現(xiàn)場維修人員體型的維修虛擬人。

3.3建立維修姿態(tài)庫完成標(biāo)準(zhǔn)人體維修虛擬人模型的建立后，需要建立虛擬人的維修姿態(tài)。DELMIA軟件一共提供了5種人體模型姿態(tài)，打開DELMIA軟件，在人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)與分析菜單項(xiàng)中單擊Human Activity Analysis選項(xiàng)，選中“posture Editor”姿態(tài)庫編輯界面，可以看到姿態(tài)庫的原始姿態(tài)、站立、坐立、側(cè)平舉、跪姿，維修姿態(tài)可以在“manikin tool”工具中進(jìn)行編輯。

建立好對應(yīng)的姿態(tài)庫后，在放頂煤液壓支架維修仿真時(shí)，無需再多次調(diào)整維修虛擬人的維修姿態(tài)，可以直接從姿態(tài)庫中調(diào)用，便于仿真的進(jìn)行。

3.4建立維修工具庫在進(jìn)行放頂煤液壓支架維修仿真的過程中，必然需要用到維修工具，因此需要在DELMIA軟件中預(yù)先建立維修工具庫。進(jìn)行維修仿真時(shí)，可以直接為維修虛擬人選擇對應(yīng)現(xiàn)實(shí)維修中的維修工具，包括扳手、錘子、撬棍等維修工具。DELMIA的維修工具庫可以直接導(dǎo)入符合格式要求的維修工具三維模型，以便在維修仿真時(shí)直接調(diào)用。筆者采用CATIA軟件制作維修工具，CATIA軟件與DELMIA軟件是由同一公司開發(fā)的三維建模軟件，可以參數(shù)化地創(chuàng)建三維模型，將用CATIA三維建模軟件制作的維修工具模型導(dǎo)入DELMIA軟件的維修工具庫。

4液壓支架維修人機(jī)工效學(xué)評價(jià)4.1可視性評價(jià)在進(jìn)行維修作業(yè)活動時(shí)，視覺是重要部分，對維修作業(yè)要求的快速找到需要維修的零件以及使用的維修工具起到關(guān)鍵作用。受限于人體生理特征，大部分人的視野范圍基本是固定的。人眼水平的視野范圍約為120°，垂直的視野范圍約為15°，在此范圍內(nèi)形成一個(gè)橢圓形的視錐空間。DELMIA平臺將視野范圍定義為3個(gè)區(qū)域，區(qū)域A在70°以內(nèi)，區(qū)域B為70°～120°，其余區(qū)域?yàn)閰^(qū)域C。

可視性評價(jià)是根據(jù)液壓支架需要進(jìn)行維修的部分出現(xiàn)在維修虛擬人的視野中的某一區(qū)域，來對其做出指標(biāo)打分評價(jià)，其評價(jià)等級如表1所示。

本文以維修虛擬人手持鐵錘對側(cè)推千斤頂活塞銷進(jìn)行維修拆卸和維修虛擬人手持鐵棍拆卸梁銷固定板為例，通過DELMIA軟件進(jìn)行分析，可以推斷，在進(jìn)行這兩種維修動作時(shí)，維修虛擬人的視野范圍區(qū)域A內(nèi)一定會有維修對象。說明在進(jìn)行這兩種維修動作時(shí)，維修人員可以方便快速地找到需要維修的對象，其評價(jià)指標(biāo)可以在0.7～1。

4.2可達(dá)性評價(jià)可達(dá)性是指維修人員在進(jìn)行維修活動時(shí)，維修部件出現(xiàn)在維修虛擬人視錐的區(qū)域A或區(qū)域B中，并且維修部件在維修人員雙手可觸摸的范圍內(nèi)。在進(jìn)行維修活動時(shí)，若維修部件可以被維修虛擬人觸摸到，則可達(dá)性評分為1，反之為0。在DELMIA仿真平臺中則是通過可達(dá)性包膜來顯示，即維修虛擬人手部可以覆蓋的藍(lán)色包膜區(qū)域。

通過DELMIA仿真可以看出，維修虛擬人在拆卸側(cè)推千斤頂活塞銷時(shí)，目標(biāo)出現(xiàn)在可達(dá)性包膜內(nèi)，如圖2所示，此時(shí)拆卸動作的可達(dá)性評分為1。

維修虛擬人手持鐵棍拆卸梁銷固定板時(shí)，維修虛擬人的手部無法接觸到該部件，僅能通過維修工具進(jìn)行接觸，此時(shí)拆卸動作的可達(dá)性評分為0。

4.3舒適度評價(jià)舒適度是指在進(jìn)行維修活動時(shí)，參與維修的人員由于個(gè)體差異以及心理和生理感受的不同，所產(chǎn)生的一種客觀評價(jià)。這種評價(jià)往往會受到諸多因素的影響，例如在進(jìn)行維修活動時(shí)，維修人員長期處于不合理的維修空間布局和維修姿態(tài)時(shí)，維修活動的舒適度就會降低，使維修人員的身體機(jī)能降低，影響維修效率，嚴(yán)重的可能會造成安全生產(chǎn)事故。因此，需要對維修活動的舒適度進(jìn)行評價(jià)，本文采用快速上肢評估法（RULA）對維修人員的維修作業(yè)舒適度進(jìn)行評價(jià)。

快速上肢評估法主要針對人體上肢發(fā)生的動作進(jìn)行評估，與液壓支架維修活動大部分維修動作發(fā)生部位吻合［7］。該方法可以分析維修人員各種姿勢下的身體部位的力量需求情況和肌肉狀態(tài)，判別對健康有損害的工作姿態(tài)，避免安全生產(chǎn)事故。通過維修作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行舒適度評價(jià)，指標(biāo)如表2所示。

表2RULA分析法的評價(jià)指標(biāo)等級RULA法評分姿勢的舒適度描述一1～2此維修姿勢非常好，維修人員在進(jìn)行維修作業(yè)時(shí)可以較長時(shí)間保持該姿勢進(jìn)行操作二3～4此維修姿勢讓維修作業(yè)人員感到不太舒服，由于靜態(tài)負(fù)荷等原因造成可持續(xù)維持時(shí)間短，需要進(jìn)行改善三5～6維修作業(yè)人員感受到此姿勢不舒服，保持時(shí)間短，需要進(jìn)行改善四7維修作業(yè)人員感受到此姿勢較差，應(yīng)立即停止并改善此類動作，以免對維修人員造成有害影響

通過DELMIA軟件對維修虛擬人拆卸側(cè)推千斤頂活塞銷時(shí)的動作進(jìn)行RULA分析，彈出RULA Analysis界面將顯示分析結(jié)果。該動作仿真最終的Final Score項(xiàng)為7分，其中Upper Arm項(xiàng)為4分，F(xiàn)orearm項(xiàng)為3分，Wrist項(xiàng)為2分，Wrist Twist項(xiàng)為1分，Posture A項(xiàng)為4分，Muscle項(xiàng)為1分，F(xiàn)orce項(xiàng)為0分，Wrist and Arm項(xiàng)為5分，Neck項(xiàng)為4分，Trunk項(xiàng)為2分，Leg項(xiàng)為1分，Posture B項(xiàng)為5分，Neck， Trunk and Leg項(xiàng)為6分。

通過RULA分析可以直觀地了解到，當(dāng)前動作的最終評分為7分，表明該姿態(tài)非常不利于維修工作的進(jìn)行，應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。

通過DELMIA軟件對維修虛擬人拆卸梁銷固定板時(shí)的動作進(jìn)行RULA分析，彈出RULA Analysis界面將顯示分析結(jié)果。該動作仿真最終的Final Score項(xiàng)為4分，其中Upper Arm項(xiàng)為3分，F(xiàn)orearm項(xiàng)為3分，Wrist項(xiàng)為2分，Wrist Twist項(xiàng)為1分，Posture A項(xiàng)為4分，Muscle項(xiàng)為1分，F(xiàn)orce項(xiàng)為0分，Wrist and Arm項(xiàng)為5分，Neck項(xiàng)為2分，Trunk項(xiàng)為2分，Leg項(xiàng)為1分，Posture B項(xiàng)為2分，Neck， Trunk and Leg項(xiàng)為3分。

該拆卸動作的RULA評分為4分，表明該維修作業(yè)姿態(tài)受到靜態(tài)負(fù)荷等因素的影響，令維修作業(yè)人員感覺不舒適，只能維持該姿態(tài)進(jìn)行較短時(shí)間的維修作業(yè)，該維修動作具有改善空間。

5結(jié)語本文針對放頂煤液壓支架的維修特點(diǎn)，通過搭建虛擬仿真維修平臺，對山西某煤炭開采企業(yè)某型放頂煤液壓支架進(jìn)行維修仿真。通過搭建虛擬維修場景、建立維修虛擬人、建立維修工具庫和建立維修姿態(tài)庫4個(gè)步驟，完成了放頂煤液壓支架在DELMIA平臺中的維修仿真。通過DELMIA的人機(jī)工效學(xué)分析模塊，對放頂煤液壓支架在進(jìn)行維修時(shí)的可視性、可達(dá)性和舒適度進(jìn)行了分析和評價(jià)，有利于相關(guān)企業(yè)在進(jìn)行實(shí)際維修時(shí)進(jìn)行針對性的改善，減少維修時(shí)間，降低維修成本，避免維修人員的身心健康受到損害。

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［5］楊瓊.基于Delmia的飛機(jī)虛擬維修仿真與評價(jià)技術(shù)應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2018（17）：90-93，98.

［6］徐張桓，許瑛，張悅，但楊輝.基于DELMIA的航空發(fā)動機(jī)虛擬裝配技術(shù)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)，2022（2）：94-98.

（編輯 沈強(qiáng)）

Simulation and evaluation design for maintenance of top coal caving hydraulic

support based on DELMIAChen? Feng， Lei? Yu， Zheng? Qian

（College of Management， Anhui Science and Technology University， Bengbu 233100， China）Abstract：? The top coal caving hydraulic support is an important tool in coal mining. This paper studies the maintainability of a certain type of top coal caving hydraulic support in a coal mining enterprise in Shanxi， builds a simulated maintenance platform through DELMIA software， operates and maintains the virtual human based on real maintenance steps to carry out virtual maintenance on the top coal caving hydraulic support， and analyzes and evaluates the visibility， reachability and comfort of ergonomics in the maintenance process， This provides a reference for enterprises when repairing hydraulic supports for caving coal.

Key words： hydraulic support; DELMIA; ergonomics; maintenance simulation