基于DELMIA的放顶煤液压支架维修仿真与评价设计

陈凤　雷宇　郑谦

摘要：放顶煤液压支架是煤矿开采中的重要工具，文章对山西某煤炭开采企业某型放顶煤液压支架进行维修性研究，通过DELMIA软件搭建仿真维修平台，基于现实维修步骤操作维修虚拟人对放顶煤液压支架进行虚拟维修，并对维修过程进行人机工效学的可视性、可达性与舒适度分析和评价，为企业在进行放顶煤液压支架维修时提供参考。

关键词：液压支架；DELMIA；人机工效学；维修仿真

中图分类号：TP39文献标志码：A0引言放顶煤液压支架是煤矿开采企业常用的生产工具，其常年工作于煤矿井下，工作环境恶劣，使用频度高，容易损坏。常见的故障包括供液问题、液压元件问题、操纵问题、胶管及管接头问题等，需要经常进行维修保养［1］。放顶煤液压支架的维修保养最常采用的方式是换件维修，即将损坏的零件从放顶煤液压支架整体中拆除下来，更换为满足工况要求的零件，安装后再进行调试。由于放顶煤液压支架在维修保养期间，会使煤矿开采企业减少一部分可采掘的区域甚至停工停产，因此，放顶煤液压支架维修拆卸的效率与质量直接影响了煤矿开采企业的经营效益。在工业较为发达的国家，约有3成的劳动力在从事机械相关的工作，并且其花费在产品拆卸和装配上的时间约占全部生产时间的4成到6成，企业在产品拆卸和装配上付出的成本超过40%［2］。为了提高放顶煤液压支架维修拆卸的效率，可以对放顶煤液压支架的维修性进行分析评价和优化。

1研究现状对于小型设备，维修性分析方法通常是对物理样机进行手工测量和实验，这种方法虽然可以直观地得到分析结果，但和自动化方法相比，操作较为费时费力且易受到场地和操作空间的约束，无法快速方便地进行维修性分析和评价工作。由于放顶煤液压支架设备较为庞大，无法完全采用物理样机分析的形式进行维修性分析评价。

对放顶煤液压支架这类大型机械设备的维修性评估，可以采用DELMIA虚拟仿真分析的方法来进行，DELMIA软件是法国达索公司设计开发的三维数字化虚拟仿真软件。王占海等［3］通过DELMIA软件设计了可交互的虚拟维修方式，建立维修场景和过程，并将其应用于飞机维修性分析和评价。何春华等［4］通过DELMIA平台建立了视锥分析模型，首先确定物体的视野范围，然后测量物体视野被遮挡的情况，最后通过遮挡占比来确定最终的可视性评分，但仅从可视性单方面无法全面完整地描述物体的维修性评价。

杨琼［5］研究了飞机的虚拟维修仿真，通过DELMIA平台创建维修工具、维修工人和维修设备，并在虚拟维修环境中进行集成，实现了飞机的虚拟维修及评价，但仅通过可达性进行评价，评价结果较为片面。

徐张桓等［6］采用DELMIA软件平台研究了航空发动机的装配过程，介绍了虚拟装配的过程逻辑，并以航空发动机的虚拟装配过程为例进行了仿真，分析了装配过程中的可达性与疲劳度。

2放顶煤液压支架维修仿真体系结构DELMIA软件是一款结构复杂的、为企业提供系统解决方案的软件，它在维修仿真与人机工效学分析中主要会用到DEP（DELMIA Process Engineer）工藝工程模块、DPM（DELMIA DPM ENVISION Assembly）装配模块以及Ergonomics（Ergonomics Design & Analysis）人机工效学设计与分析模块，这3个模块也可以独立使用。

放顶煤液压支架维修仿真系统主要通过以下6个步骤实现：（1）对放顶煤液压支架设备的维修方法进行分析，统计放顶煤液压支架维修时进行的动作。（2）对现场维修人员体貌特征进行测量，根据统计出的数据搭建符合现场维修人员体貌体征的维修虚拟人。（3）对现场维修环境进行测量与记录，在DELMIA软件中搭建与真实环境相似的仿真维修环境。（4）对液压支架设备进行集成信息模型的建立，结合前3个步骤就构成了模拟仿真维修系统。（5）在技术专家的指导下，现场维修人员进行放顶煤液压支架设备现场维修作业活动。（6）基于步骤5，采用模拟仿真维修系统对液压支架设备现实维修作业活动进行抽象，构成完整的闭环。

3液压支架维修仿真流程3.1维修仿真场景搭建进行维修仿真的首要任务，是搭建液压支架维修仿真场景。打开软件，点击软件上部菜单栏中的“新建”按钮，点击“product”按钮后按下回车键创建新的product。在软件界面左侧的树状菜单中找到刚创建的product，单击“部件”，单击“现有部件”，导入通过其他三维建模软件绘制的放顶煤液压支架模型、人体模型及维修工具模型等。

单击AEC Plant工厂布局模块中的Plant Layout中的区域进行放顶煤液压支架维修仿真场景的建立，参照放顶煤液压支架现实维修环境，搭建仿真维修地面场景。Area Creation场景创建参数中类型选择“Area”，X length设置为15 000 mm，Y length设置为15 000 mm，Height设置为0 mm，即可创建一个仿真维修平面环境。搭建完成后的白色区域即为仿真维修作业环境，如图1所示。

3.2建立标准人体虚拟人模型在完成液压支架虚拟维修环境创建后，需要创建维修虚拟人模型。由于DELMIA软件提供的人体模型与液压支架实际作业的维修人员身高、体重等生理特征差距较大，难以模拟出较为精确的维修动作，因此根据《中国成年人人体尺寸》中的我国人均生理特征标准来重新建立与液压支架实际维修人员较为接近的维修虚拟人模型。

创建后缀为.sws的文本文件，根据GB 10000—1988标准在其中录入我国人体数据，其文件协议解析规则为：“MEAN_STDEV M”表示维修人员为男性时的均值和标准差，可以录入数据“MEAN_STDEV M us100 177.0 6.1”；“MEAN_STDEV F” 表示维修人员为女性时的均值和标准差，可以录入数据“MEAN_STDEV F us100 165.0 5.9”；从维修人员站立的平面到维修人员身体最顶端的平面的垂线距离定义为“us100”；维修人员坐下后腹部最远端的点与身体平行的平面与背部同一高度的点与身体平行的平面之间的距离定义为“us2”，体重定义为“us125”。

打开DELMIA软件中的“human builder”界面，选择“human measurements Editor”，在“Anthropometry”界面下点击“添加”按钮导入上述sws文件。点击“insert a new Manikin”，点击“optional”界面，在“population”中选择上述导入的sws文件，即成功创建了一个较为符合现场维修人员体型的维修虚拟人。

3.3建立维修姿态库完成标准人体维修虚拟人模型的建立后，需要建立虚拟人的维修姿态。DELMIA软件一共提供了5种人体模型姿态，打开DELMIA软件，在人机工效学设计与分析菜单项中单击Human Activity Analysis选项，选中“posture Editor”姿态库编辑界面，可以看到姿态库的原始姿态、站立、坐立、侧平举、跪姿，维修姿态可以在“manikin tool”工具中进行编辑。

建立好对应的姿态库后，在放顶煤液压支架维修仿真时，无需再多次调整维修虚拟人的维修姿态，可以直接从姿态库中调用，便于仿真的进行。

3.4建立维修工具库在进行放顶煤液压支架维修仿真的过程中，必然需要用到维修工具，因此需要在DELMIA软件中预先建立维修工具库。进行维修仿真时，可以直接为维修虚拟人选择对应现实维修中的维修工具，包括扳手、锤子、撬棍等维修工具。DELMIA的维修工具库可以直接导入符合格式要求的维修工具三维模型，以便在维修仿真时直接调用。笔者采用CATIA软件制作维修工具，CATIA软件与DELMIA软件是由同一公司开发的三维建模软件，可以参数化地创建三维模型，将用CATIA三维建模软件制作的维修工具模型导入DELMIA软件的维修工具库。

4液压支架维修人机工效学评价4.1可视性评价在进行维修作业活动时，视觉是重要部分，对维修作业要求的快速找到需要维修的零件以及使用的维修工具起到关键作用。受限于人体生理特征，大部分人的视野范围基本是固定的。人眼水平的视野范围约为120°，垂直的视野范围约为15°，在此范围内形成一个椭圆形的视锥空间。DELMIA平台将视野范围定义为3个区域，区域A在70°以内，区域B为70°～120°，其余区域为区域C。

可视性评价是根据液压支架需要进行维修的部分出现在维修虚拟人的视野中的某一区域，来对其做出指标打分评价，其评价等级如表1所示。

本文以维修虚拟人手持铁锤对侧推千斤顶活塞销进行维修拆卸和维修虚拟人手持铁棍拆卸梁销固定板为例，通过DELMIA软件进行分析，可以推断，在进行这两种维修动作时，维修虚拟人的视野范围区域A内一定会有维修对象。说明在进行这两种维修动作时，维修人员可以方便快速地找到需要维修的对象，其评价指标可以在0.7～1。

4.2可达性评价可达性是指维修人员在进行维修活动时，维修部件出现在维修虚拟人视锥的区域A或区域B中，并且维修部件在维修人员双手可触摸的范围内。在进行维修活动时，若维修部件可以被维修虚拟人触摸到，则可达性评分为1，反之为0。在DELMIA仿真平台中则是通过可达性包膜来显示，即维修虚拟人手部可以覆盖的蓝色包膜区域。

通过DELMIA仿真可以看出，维修虚拟人在拆卸侧推千斤顶活塞销时，目标出现在可达性包膜内，如图2所示，此时拆卸动作的可达性评分为1。

维修虚拟人手持铁棍拆卸梁销固定板时，维修虚拟人的手部无法接触到该部件，仅能通过维修工具进行接触，此时拆卸动作的可达性评分为0。

4.3舒适度评价舒适度是指在进行维修活动时，参与维修的人员由于个体差异以及心理和生理感受的不同，所产生的一种客观评价。这种评价往往会受到诸多因素的影响，例如在进行维修活动时，维修人员长期处于不合理的维修空间布局和维修姿态时，维修活动的舒适度就会降低，使维修人员的身体机能降低，影响维修效率，严重的可能会造成安全生产事故。因此，需要对维修活动的舒适度进行评价，本文采用快速上肢评估法（RULA）对维修人员的维修作业舒适度进行评价。

快速上肢评估法主要针对人体上肢发生的动作进行评估，与液压支架维修活动大部分维修动作发生部位吻合［7］。该方法可以分析维修人员各种姿势下的身体部位的力量需求情况和肌肉状态，判别对健康有损害的工作姿态，避免安全生产事故。通过维修作业姿态进行舒适度评价，指标如表2所示。

表2RULA分析法的评价指标等级RULA法评分姿势的舒适度描述一1～2此维修姿势非常好，维修人员在进行维修作业时可以较长时间保持该姿势进行操作二3～4此维修姿势让维修作业人员感到不太舒服，由于静态负荷等原因造成可持续维持时间短，需要进行改善三5～6维修作业人员感受到此姿势不舒服，保持时间短，需要进行改善四7维修作业人员感受到此姿势较差，应立即停止并改善此类动作，以免对维修人员造成有害影响

通过DELMIA软件对维修虚拟人拆卸侧推千斤顶活塞销时的动作进行RULA分析，弹出RULA Analysis界面将显示分析结果。该动作仿真最终的Final Score项为7分，其中Upper Arm项为4分，Forearm项为3分，Wrist项为2分，Wrist Twist项为1分，Posture A项为4分，Muscle项为1分，Force项为0分，Wrist and Arm项为5分，Neck項为4分，Trunk项为2分，Leg项为1分，Posture B项为5分，Neck， Trunk and Leg项为6分。

通过RULA分析可以直观地了解到，当前动作的最终评分为7分，表明该姿态非常不利于维修工作的进行，应进行改进。

通过DELMIA软件对维修虚拟人拆卸梁销固定板时的动作进行RULA分析，弹出RULA Analysis界面将显示分析结果。该动作仿真最终的Final Score项为4分，其中Upper Arm项为3分，Forearm项为3分，Wrist项为2分，Wrist Twist项为1分，Posture A项为4分，Muscle项为1分，Force项为0分，Wrist and Arm项为5分，Neck项为2分，Trunk项为2分，Leg项为1分，Posture B项为2分，Neck， Trunk and Leg项为3分。

該拆卸动作的RULA评分为4分，表明该维修作业姿态受到静态负荷等因素的影响，令维修作业人员感觉不舒适，只能维持该姿态进行较短时间的维修作业，该维修动作具有改善空间。

5结语本文针对放顶煤液压支架的维修特点，通过搭建虚拟仿真维修平台，对山西某煤炭开采企业某型放顶煤液压支架进行维修仿真。通过搭建虚拟维修场景、建立维修虚拟人、建立维修工具库和建立维修姿态库4个步骤，完成了放顶煤液压支架在DELMIA平台中的维修仿真。通过DELMIA的人机工效学分析模块，对放顶煤液压支架在进行维修时的可视性、可达性和舒适度进行了分析和评价，有利于相关企业在进行实际维修时进行针对性的改善，减少维修时间，降低维修成本，避免维修人员的身心健康受到损害。

参考文献

［1］杨占群.煤矿液压支架的管理及维护研究［J］.山西煤炭管理干部学院学报，2015（4）：45-46.

［2］刘畅，国志刚，任泉霖.基于虚拟维修过程的产品平均修复时间预计［J］.飞机设计，2020（6）：66-69.

［3］王占海，翟庆刚.DELMIA人机工程在飞机虚拟维修中的应用［J］.长沙航空职业技术学院学报，2009（4）：36-41.

［4］何春华，方舟，李阳，等.基于视野锥的维修可视性分析方法改进［J］.中国舰船研究，2020（2）：49-55.

［5］杨琼.基于Delmia的飞机虚拟维修仿真与评价技术应用［J］.电子设计工程，2018（17）：90-93，98.

［6］徐张桓，许瑛，张悦，但杨辉.基于DELMIA的航空发动机虚拟装配技术研究［J］.制造技术与机，2022（2）：94-98.

（编辑 沈强）

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