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　　世界經濟和科學技術的飛速發展，市場全球化和競爭日益

　　激烈。企業為了提高競爭力，必須縮短新產品研制和開發周

　　期，提高產品的設計質量，降低產品的開發成本，進行創新

　　性設計，這樣才能滿足市場不斷變化的需求。虛擬樣機技術

　　( Virtual Prototyping )就是在這種迫切需要的驅動下產

　　生的。

　　新產品的開發與研制涉及許多相關的學科，例如機械運

　　動學與動力學、人機工程學和美學等，而各個學科理論的最

　　優實現又相互制約。過去，為了在這方面作出權衡，需要制

　　造物理樣機并進行試驗，研究其結構與性能，并供其他人員

　　(如銷售與管理人員)進行評價。當發現問題時，便會修改

　　設計方案，然后再制造物理樣機、再進行樣機試驗。在產品

　　定型之前，通常要經過多次反復，這便大大增加了新產品的

　　開發周期和成本。產品結構越復雜，這種人力、物力及財力

　　的浪費越嚴重。而且由于物理樣機的單機制造成本很高，加

　　上急于優先搶占市場，常常使投放市場產品的性能和功能不

　　夠完善。

　　虛擬樣機技術的逐漸成熟為解決這些問題提供了強有力

　　的工具和手段。運用這項技術，一方面可以節約時間和資

　　金，降低產品成本，避免不必要的浪費;另一方面可以縮短

　　產品的開發周期，提高產品質量，增強產品的市場競爭力。

　　我國的礦山機械行業常常由于新產品的開發周期長、成本

　　高，導致一些產品嚴重老化、缺乏市場競爭力，而處于一種

　　不景氣的局面。利用虛擬樣機技術及廣泛開展這方面的應用

　　研究，將對我國礦山機械行業的進步及提高我國礦山機械產

　　品在國際市場的竟爭力有著重要的意義。

　　1 虛擬樣機技術

　　作為一種正處于探索中的新觀念、新技術，目前虛擬樣

　　機技術在國內尚沒有一個統一的定義，完整的理論體系還沒

　　有形成，對于它的研究正處于不斷的深人和細化過程當中，

　　根據幾種比較有代表性的論述可將其歸納如下：

　　所謂虛擬樣機技術就是在建造第一臺物理樣機之前，工

　　程師利用計算機技術建立機械系統的數字模型，進行仿真分

　　析并以圖形顯示該系統在真實工程條件下的運動特性，從而

　　修改并得到最優設計方案的技術。虛擬樣機是一種計算機模

　　型，它能夠反映實際產品的特性，包括外觀、空間關系以及

　　運動學和動力學的特性。借助于這項技術，我們可以在計算

　　機上建立機械系統的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在

　　現實環境下系統的運動和動力特性并根據仿真結果精化和優

　　化系統。也就是說，虛擬樣機技術是利用虛擬環境在可視化

　　方面的優勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對產品進

　　行幾何。功能和制造等方面交互的建模與分析。它在CAD模型

　　的基礎上，把虛擬技術與仿真方法相結合，為產品的研制提

　　供了一個全新的設計方法。虛擬樣機技術應貫穿在整個設計

　　過程當中。在概念設計和方案論證中，設計師可以把自己的

　　經驗與想象結合在計算機的虛擬樣機里，讓想象力和創造力

　　充分發揮。當用虛擬樣機來代替實際樣機驗證設計時，縮短

　　了開發周期，設計質量和效率也得到了提高。

　　傳統的設計思想和方法是一個串行的過程，從設計到產

　　品的批量生產按照從前到后的順序進行。這種方法存在很多

　　的弊端，往往是把注意力過分集中在細節上而忽略了整機性

　　能，從而導致最終產品存在著許多未曾估計到的問題，這必

　　將導致設計質量降低并造成嚴重浪費。現在世界范圍內已經

　　廣泛地接受了并行工程(Concurrent而卻步Engineerms)的

　　概念，但大多數僅對單個、零部件采用并行設計方法，往往

　　導致整機系統效果不夠理想。而虛擬樣機技術強調系統層面

　　上的優化，該技術使產品在開發設計階段就可以迅速分析比

　　較多種設計方案，測試并改進設計方案，直至獲得最優工作

　　性能。這樣，在產品質量得到提高的同時，縮短了產品開發

　　周期，產品的設計也更加合理、完善。

　　虛擬樣機技術是一門綜合多學科的技術。該技術以機械

　　系統運動學、動力學和控制理論為核心，加上成熟的三維計

　　算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技術，將分散的零部件

　　設計和分析技術(如零部件的CAD和Flex有限元分析)集成在

　　一起，提供一個更全面地研究產品工作性能的方法。它通過

　　設計中的反饋信息不斷地指導設計，保證產品尋優開發過程

　　順利進行。

　　可以說，諸多相關技術的進步和成熟促進了虛擬樣機技

　　術的產生和發展。首先，虛擬樣機能耗50%左右。

　　我國的第一汽車制造廠和第二汽車制造廠，每采用1000t

　　(1500萬件)粉末冶金零件，可節約鋼材2500t，銅材

　　300t;用粉末冶金材料熱鍛120萬件行星齒輪，可節約

　　CrMnTi鋼770t。據統計，每生產20萬件粉末冶金零件，可節

　　約工時10萬臺時以上。

　　3 粉末冶金零件能夠改善主機性能

　　粉末冶金材質組合設計和生產實施的自由度較高，能夠

　　根據機械零件的使用條件設計材料和生產方法，可以賦予零

　　件成品用常規工藝無法得到的組織結構，使產品具有所需的

　　優異性能，而有利于主機性能的改善和提高。

　　(1)在工業車輛中，粉末熱鍛傳動連桿，其疲勞強度優

　　于鋼材模鍛件，當運行疲勞循環次數為106時，其額定載荷可

　　由29kn提高到34kn。

　　粉末冶金熱鍛傳動齒輪，當運行疲勞循環次數為106時，

　　其額定負荷扭矩為540Nm,而16nr5鋼只為430Nm。用粉末冶金

　　材料凸輪軸，其運行疲勞循環次數可提高6~7倍。用粉末冶金

　　材料制造的剎車片耐磨性好，不粘結，不龜裂，剎車效能

　　高，可受比壓為1.5MPa，摩擦系數穩定，單面單次磨損在

　　0.03mm以下，使用壽命可提高0.5~1.0倍。用粉末冶金材料

　　制造的一些耦合件具有顯著優越性，如各種齒輪油泵，其齒

　　輪嚙合性好，耐磨損，泵油效率可提高15%~20%。

　　(2)在鏟裝設備中，主傳動系統變速箱的齒輪及齒輪

　　軸，彩粉末冶金熱鍛工藝制造，當運行疲勞周期為106時，，

　　其承載扭矩可提高15%~20%。齒輪箱的離合器、摩擦片采用粉

　　末冶金材料后，承受工作壓力可由95MPa提高到400MPa，傳遞

　　扭矩由150Nm提高到1400Nm，使用壽命在5000h以上。工作裝

　　置的幾種軸套采用鐵基粉末冶金制作，在50~100℃范圍內尺

　　寸誤差穩定，其耐磨性能比30號鋼高3~4倍。如用粉末冶金材

　　料取代鑄造青銅，磨損率可降低50%~60%。

　　(3)在起重運輸設備中，用粉末冶金材料制成的固體潤

　　滑軸承和高石墨青銅含油軸承，能在一IO～15℃范圍內保持

　　穩定，耐磨性提高2倍。使主機噪聲降低5～6dB。使用的粉末

　　冶金鎢基和碳化鎢基觸頭，具有較高硬度、抗高溫熔焊、高

　　導電性和高導熱性等優點，其壽命比銅鋁合金制品高6～IO

　　倍。用粉末冶金材料制成的托輥密封件和軸承保持架等零

　　件，工藝工時減少3O%，成本降低ZOde，使用效果良好，壽

　　命延長2-3倍。

　　(4)在鉆采設備中，各種鉆具、切割刃具都需要較高的

　　硬度及耐磨性，燒結高速鋼，鋼結硬質合金和金屬陶瓷等粉

　　末冶金材料可以滿足要求，其價格較低而壽命較長。

　　用硬質合金制做鉆具(如釬頭、聯結套等)和割齒，構

　　件成型比較容易，工藝簡捷，成本可降低 ZO %左右;而鉆鑿

　　效率可提高3Ong，壽命延長 IO～ZO倍，鋼結硬質合金可以進

　　行機械加工和熱處理，用它制做綜采機割頭的有孔柱形齒和

　　巷道掘進機割盤的滾刀，可按工作條件要求成型，節約工時

　　3O%，切割效率提高ZO%一25%，其使用壽命比W18Cr4v高3—

　　5倍。

　　4 粉末冶金工藝有利于保護生產環境

　　如前所述，采用普通機械加工工藝制造機械零件，其金

　　屬材料利用率僅為50%左右，大部分材料變為金屬屑及其它排

　　遺物，這些固體廢物對環境的水體、大氣和土壤都會產生派

　　生大量的酸渣和酸氣，嚴重污染環境。廢水含有四乙基鉛

　　(Ph[C2H]).鉻酸配(CrO3、二氧化錳(MnO2 )和硫化

　　硒(SeS)等，其中的大量有色金屬元素進人清潔用水系統

　　后，使水體的天然自靜能力受到抑制，進而產生異味、異

　　臭、異色，呈現泡沫和油膜等，妨礙水系的正常利用。

　　如前所述，粉末冶金零件成型技術屬于少切削或無切削

　　加工工藝，沒有金屬屑等固體排遺物，更沒有機械加工產生

　　的廢油，生產過程中雖有少量的粉塵和廢水，但僅為普通機

　　械加工工藝的1/15~ l/ ZO。所以，粉末冶金零件成型工藝技

　　術對保護生產環境是非常有利的。

　　由于粉末冶金工藝技術在機械行業呈現出諸多優點，所

　　以近年來工業先進國家的粉末冶金工業發展速度，明顯超過

　　傳統的機械工業和冶金工業。我國通過十幾年的努力，粉末

　　冶金工業已具有一定規模，達到一定水平。當前正重點研究

　　提高鐵基材料、銅基材料、摩擦材料和復合材料等已有產品

　　的性能。同時開發各種先進的結構材料和功能材料。如精細

　　陶瓷、超導材料、記憶合金和超微粒材料等。努力發展快速

　　冷凝。機械合金化及STAMP法等新材料制造技術。只要結合工

　　礦機械產品開發，擴大應用領域，廠家與用戶緊密結合，不

　　斷進行使用性能、使用條件和應用范圍的研究，粉末冶金工

　　藝技術定會獲得更好的經濟效益和社會效益。