基于DELMIA的放頂煤液壓支架維修仿真與評價設計

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某型放頂煤液壓支架進行維修性研究，通過DELMIA軟件搭建仿真維修平臺，基于現實維修步驟操作維修虛擬人對放頂煤液壓支架進行虛擬維修，并對維修過程進行人機工效學的可視性、可達性與舒適度分析和評價，為企業在進行放頂煤液壓支架維修時提供參考。

關鍵詞：液壓支架；DELMIA；人機工效學；維修仿真

中圖分類號：TP39文獻標志碼：A0引言放頂煤液壓支架是煤礦開采企業常用的生產工具，其常年工作于煤礦井下，工作環境惡劣，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，需要經常進行維修保養［1］。放頂煤液壓支架的維修保養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，安裝后再進行調試。由于放頂煤液壓支架在維修保養期間，會使煤礦開采企業減少一部分可采掘的區域甚至停工停產，因此，放頂煤液壓支架維修拆卸的效率與質量直接影響了煤礦開采企業的經營效益。在工業較為發達的國家，約有3成的勞動力在從事機械相關的工作，并且其花費在產品拆卸和裝配上的時間約占全部生產時間的4成到6成，企業在產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行分析評價和優化。

1研究現狀對于小型設備，維修性分析方法通常是對物理樣機進行手工測量和實驗，這種方法雖然可以直觀地得到分析結果，但和自動化方法相比，操作較為費時費力且易受到場地和操作空間的約束，無法快速方便地進行維修性分析和評價工作。由于放頂煤液壓支架設備較為龐大，無法完全采用物理樣機分析的形式進行維修性分析評價。

對放頂煤液壓支架這類大型機械設備的維修性評估，可以采用DELMIA虛擬仿真分析的方法來進行，DELMIA軟件是法國達索公司設計開發的三維數字化虛擬仿真軟件。王占海等［3］通過DELMIA軟件設計了可交互的虛擬維修方式，建立維修場景和過程，并將其應用于飛機維修性分析和評價。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。

楊瓊［5］研究了飛機的虛擬維修仿真，通過DELMIA平臺創建維修工具、維修工人和維修設備，并在虛擬維修環境中進行集成，實現了飛機的虛擬維修及評價，但僅通過可達性進行評價，評價結果較為片面。

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

2放頂煤液壓支架維修仿真體系結構DELMIA軟件是一款結構復雜的、為企業提供系統解決方案的軟件，它在維修仿真與人機工效學分析中主要會用到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）人機工效學設計與分析模塊，這3個模塊也可以獨立使用。

放頂煤液壓支架維修仿真系統主要通過以下6個步驟實現：（1）對放頂煤液壓支架設備的維修方法進行分析，統計放頂煤液壓支架維修時進行的動作。（2）對現場維修人員體貌特征進行測量，根據統計出的數據搭建符合現場維修人員體貌體征的維修虛擬人。（3）對現場維修環境進行測量與記錄，在DELMIA軟件中搭建與真實環境相似的仿真維修環境。（4）對液壓支架設備進行集成信息模型的建立，結合前3個步驟就構成了模擬仿真維修系統。（5）在技術專家的指導下，現場維修人員進行放頂煤液壓支架設備現場維修作業活動。（6）基于步驟5，采用模擬仿真維修系統對液壓支架設備現實維修作業活動進行抽象，構成完整的閉環。

3液壓支架維修仿真流程3.1維修仿真場景搭建進行維修仿真的首要任務，是搭建液壓支架維修仿真場景。打開軟件，點擊軟件上部菜單欄中的“新建”按鈕，點擊“product”按鈕后按下回車鍵創建新的product。在軟件界面左側的樹狀菜單中找到剛創建的product，單擊“部件”，單擊“現有部件”，導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中的區域進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實維修環境，搭建仿真維修地面場景。Area Creation場景創建參數中類型選擇“Area”，X length設置為15 000 mm，Y length設置為15 000 mm，Height設置為0 mm，即可創建一個仿真維修平面環境。搭建完成后的白色區域即為仿真維修作業環境，如圖1所示。

3.2建立標準人體虛擬人模型在完成液壓支架虛擬維修環境創建后，需要創建維修虛擬人模型。由于DELMIA軟件提供的人體模型與液壓支架實際作業的維修人員身高、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《中國成年人人體尺寸》中的我國人均生理特征標準來重新建立與液壓支架實際維修人員較為接近的維修虛擬人模型。

創建后綴為.sws的文本文件，根據GB 10000—1988標準在其中錄入我國人體數據，其文件協議解析規則為：“MEAN_STDEV M”表示維修人員為男性時的均值和標準差，可以錄入數據“MEAN_STDEV M us100 177.0 6.1”；“MEAN_STDEV F” 表示維修人員為女性時的均值和標準差，可以錄入數據“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端的點與身體平行的平面與背部同一高度的點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”界面下點擊“添加”按鈕導入上述sws文件。點擊“insert a new Manikin”，點擊“optional”界面，在“population”中選擇上述導入的sws文件，即成功創建了一個較為符合現場維修人員體型的維修虛擬人。

3.3建立維修姿態庫完成標準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。DELMIA軟件一共提供了5種人體模型姿態，打開DELMIA軟件，在人機工效學設計與分析菜單項中單擊Human Activity Analysis選項，選中“posture Editor”姿態庫編輯界面，可以看到姿態庫的原始姿態、站立、坐立、側平舉、跪姿，維修姿態可以在“manikin tool”工具中進行編輯。

建立好對應的姿態庫后，在放頂煤液壓支架維修仿真時，無需再多次調整維修虛擬人的維修姿態，可以直接從姿態庫中調用，便于仿真的進行。

3.4建立維修工具庫在進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軟件中預先建立維修工具庫。進行維修仿真時，可以直接為維修虛擬人選擇對應現實維修中的維修工具，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入符合格式要求的維修工具三維模型，以便在維修仿真時直接調用。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的三維建模軟件，可以參數化地創建三維模型，將用CATIA三維建模軟件制作的維修工具模型導入DELMIA軟件的維修工具庫。

4液壓支架維修人機工效學評價4.1可視性評價在進行維修作業活動時，視覺是重要部分，對維修作業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°，在此范圍內形成一個橢圓形的視錐空間。DELMIA平臺將視野范圍定義為3個區域，區域A在70°以內，區域B為70°～120°，其余區域為區域C。

可視性評價是根據液壓支架需要進行維修的部分出現在維修虛擬人的視野中的某一區域，來對其做出指標打分評價，其評價等級如表1所示。

本文以維修虛擬人手持鐵錘對側推千斤頂活塞銷進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軟件進行分析，可以推斷，在進行這兩種維修動作時，維修虛擬人的視野范圍區域A內一定會有維修對象。說明在進行這兩種維修動作時，維修人員可以方便快速地找到需要維修的對象，其評價指標可以在0.7～1。

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

通過DELMIA仿真可以看出，維修虛擬人在拆卸側推千斤頂活塞銷時，目標出現在可達性包膜內，如圖2所示，此時拆卸動作的可達性評分為1。

維修虛擬人手持鐵棍拆卸梁銷固定板時，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行接觸，此時拆卸動作的可達性評分為0。

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

快速上肢評估法主要針對人體上肢發生的動作進行評估，與液壓支架維修活動大部分維修動作發生部位吻合［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，判別對健康有損害的工作姿態，避免安全生產事故。通過維修作業姿態進行舒適度評價，指標如表2所示。

表2RULA分析法的評價指標等級RULA法評分姿勢的舒適度描述一1～2此維修姿勢非常好，維修人員在進行維修作業時可以較長時間保持該姿勢進行操作二3～4此維修姿勢讓維修作業人員感到不太舒服，由于靜態負荷等原因造成可持續維持時間短，需要進行改善三5～6維修作業人員感受到此姿勢不舒服，保持時間短，需要進行改善四7維修作業人員感受到此姿勢較差，應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推千斤頂活塞銷時的動作進行RULA分析，彈出RULA Analysis界面將顯示分析結果。該動作仿真最終的Final Score項為7分，其中Upper Arm項為4分，Forearm項為3分，Wrist項為2分，Wrist Twist項為1分，Posture A項為4分，Muscle項為1分，Force項為0分，Wrist and Arm項為5分，Neck項為4分，Trunk項為2分，Leg項為1分，Posture B項為5分，Neck， Trunk and Leg項為6分。

通過RULA分析可以直觀地了解到，當前動作的最終評分為7分，表明該姿態非常不利于維修工作的進行，應進行改進。

通過DELMIA軟件對維修虛擬人拆卸梁銷固定板時的動作進行RULA分析，彈出RULA Analysis界面將顯示分析結果。該動作仿真最終的Final Score項為4分，其中Upper Arm項為3分，Forearm項為3分，Wrist項為2分，Wrist Twist項為1分，Posture A項為4分，Muscle項為1分，Force項為0分，Wrist and Arm項為5分，Neck項為2分，Trunk項為2分，Leg項為1分，Posture B項為2分，Neck， Trunk and Leg項為3分。

該拆卸動作的RULA評分為4分，表明該維修作業姿態受到靜態負荷等因素的影響，令維修作業人員感覺不舒適，只能維持該姿態進行較短時間的維修作業，該維修動作具有改善空間。

5結語本文針對放頂煤液壓支架的維修特點，通過搭建虛擬仿真維修平臺，對山西某煤炭開采企業某型放頂煤液壓支架進行維修仿真。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庫4個步驟，完成了放頂煤液壓支架在DELMIA平臺中的維修仿真。通過DELMIA的人機工效學分析模塊，對放頂煤液壓支架在進行維修時的可視性、可達性和舒適度進行了分析和評價，有利于相關企業在進行實際維修時進行針對性的改善，減少維修時間，降低維修成本，避免維修人員的身心健康受到損害。

參考文獻

［1］楊占群.煤礦液壓支架的管理及維護研究［J］.山西煤炭管理干部學院學報，2015（4）：45-46.

［2］劉暢，國志剛，任泉霖.基于虛擬維修過程的產品平均修復時間預計［J］.飛機設計，2020（6）：66-69.

［3］王占海，翟慶剛.DELMIA人機工程在飛機虛擬維修中的應用［J］.長沙航空職業技術學院學報，2009（4）：36-41.

［4］何春華，方舟，李陽，等.基于視野錐的維修可視性分析方法改進［J］.中國艦船研究，2020（2）：49-55.

［5］楊瓊.基于Delmia的飛機虛擬維修仿真與評價技術應用［J］.電子設計工程，2018（17）：90-93，98.

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

（編輯 沈強）

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