水利机电设备的虚拟装配技术浅析

李文华

（长江工程监理咨询有限公司（湖北），湖北 武汉 430010）

水利机电设备的虚拟装配技术浅析

李文华

（长江工程监理咨询有限公司（湖北），湖北 武汉 430010）

对水利机电设备的虚拟装配技术展开分析，对常用的技术特点、水利机电设备的安装要求、应用模式和实践进行分析，得到一定的可行性建议，为水利机电安装工程的管理和安装技术提供一定的依据。

虚拟装配；安装；水电；机电

2016年12月《水利改革发展“十三五”规划》正式发布，提出到2020年建成防洪抗旱减灾体系、水资源配置和利用体系，届时我国的水利基础设施网络将进一步得到完善。未来水利工程的建设将进一步扩大规模，而水利机电设备作为水利工程项目不可或缺的一部分，其装配就成为了关键的环节。如何优化水利机电安装成为当前的关键技术问题之一。

虚拟装配是在产品设计开发阶段，通过技术仿真在虚拟环境下对产品的装配过程进行预演，提前通过三维可视化技术将整个模拟安装过程，从而发现问题，验证装配可行性和装配性能。相对于传统安装采用的“预装整体调整法”安装技术，虚拟安装具有很好的协调性，将对机电安装工程的管理和安装技术具有极大的借鉴意义和参考价值。本文对水电设备虚拟装配的技术特点，应用模式和实践展开分析。

1 虚拟装配技术概述

1.1 技术概述

虚拟装配技术是基于人机交互模式下的一种仿真技术，通过与计算机虚拟的物体进行实时交互，在虚拟环境下模拟出装配的整个过程。最早的虚拟装配技术是在上世纪90年代出现，如今经过计算机技术的进步和演变，这一技术越来越成熟，对设备的可装配性、可拆卸性、可维修性、装配精度都能够很好的模拟，从而提高试装成功率，提高装配质量。机电安装是水电建设中的重点主体工程之一，安装难度大，利用虚拟装配能够有效的提高装配的成功率。

与传统装配工艺规划方法相比，虚拟装配的特点如下。

第一，虚拟性，虚拟现实技术提供一种高度逼真、直观自然的交互环境，能够实时的观察水电机电设备装配过程以及产生效果。

第二，协同性，这种协同是指在人与机器之间的协同，走人机一体的技术路线，共同构成一个系统。

第三，集成性，虚拟技术实现了装配建模，装配仿真以及工艺规划，从而得到实物的初始装配工艺，并验证装配的可行性等。

1.2 虚拟装配技术体系

其技术体系如图1，几个重要的装配技术模块包括了CAD几何建模，三维虚拟仿真、装配分析。整个虚拟装配的实现过程可以概括如下：首先，基于CAD模型，提取三维几何数据；其次，建立信息集成的装配模型，生成设备装配的属性关系，基于虚拟三维仿真系统，观察和操作零部件模型，生成装配序列、路径和可行的装配方案，最终落实这一方案，引入装配分析系统验证装配方案的可行性。

图1 虚拟装配技术体系图

2 虚拟装配技术应用

装配模型是装配分析的最初环节，下面以对水轮发电机虚拟安装来探讨其具体的应用过程。

2.1 装配结构

装配结构反映了产品的构成，把装配体、子装配体和零件之间的关系表现为一种结构图的形式（见图2），从而构造装配BOM，快速了解装配体的基本构成，定制产品的结构，并且支持并行装配的指导。

图2 装配结构图

水轮发电机装配是一个涉及零部件多、部件间干扰大，需要准确合理地将它们反映到构建的虚拟装配模型中，其装配结构中包括了如下的关系。

位置关系，描述水电机电设备中两个零部件之间的几何安装位置，反映出配合关系和距离关系。配合包括了平面贴合、平面对齐、夹角配合、柱面配合等，同时还有过渡配合、过盈配合。距离关系反映出零件之间接触关系，按精度分类。

紧固关系，两个零件成为一体，零件间的紧固方式是必须考虑的。其包含了焊接、铆接、销连接、螺纹等多种连接方式，传动关系反映零部件之间的相对运动和传动关系，如链传动、带传动、绕轴的旋转等。

2.2 虚拟技术下的网络计划编制

安装一般是分步进行，加快进度的方法是采用并行施工或交叉作业的方式，在水电站机电安装过程的分步中，受到施工竞争的影响，如工期要求，空间布置、工艺逻辑、工艺组织等众多因素影响下，传统工艺不再适应，所以虚拟装配的优势凸显出来，“网络计划技术”已经成了一种工程管理不可缺少的方法，利用“网络计划技术”模拟计算，明确项目关键路线和关键工作点，对空间资源加以整合计算可以获得一套施工信息，避免窝工、误工情况等，解决施工中遇到的空间冲突矛盾时有较强的灵活性，对水电站机电安装工程有着重要的现实意义。

一级网络计划是根据项目实际来设计安装，施工初期利用原有的资料与施工经验先编制出的网络计划初稿，然后再结合实际中我国的一些水电站的施工经验资料的汇总，针对项目自身的特点，进行合理的修正和完善，在实际的施工安装过程中，水电站的场地受到限制，工位十分紧张，而且很多的水电站都是位于深山峡谷之中，施工场地的布置困难，实际的机电安装所需的拼装紧缺。如大朝山电站发电机定子、转子、转轮、上下机架等大型的组装件在工期限制下，而实际的安装面积只有不到1200平米，这就使得很多工位以及进场都十分的困难。为此需要编制工位的网络图，适当的模拟增设工作平台。

另外，很多的水电站的交通条件很差，距离工地距离太远，而且长期受到雨水冲刷，道路泥泞，且容易塌方，利用虚拟技术来模拟编制成套的运输计划，例如可以将搭建的运输安排在旱季。

在水电设备安装过程中，工期也是一个重要的因素，一方面要在施工的过程中配合土建的进度，又要保障自己的进度，而且其中很多的工序实际上是交叉的，例如压力钢管下平段安装在主厂房，通过这些节点的按期实现来有效保证年度工期的目标实现以及厂房开挖结束时的再进行安装。利用虚拟装配技术进行分析和实验，还可以对网络计划进行修正，通过模拟，编制出更为准确、精确的，更符合施工条件的网络计划，有效指导整个机电的安装过程，虚拟技术的网络计划进一步的编制出二级、三级等一系列网络计划，便与合理安排安装施工、劳力调配以及资源消耗量的计算。

2.3 装配可视化

利用现行的计算机辅助和VR系统，通过输入到虚拟环境，通过三维交互设备和显示设备，可以选择、生成、修改装配轨迹或进行装配。可视化的模块部分可以为用户提供监测警告，如果轨迹信息、装配顺序的不合理，都会产生影响，施工人员可以直接观察和操作零部件模型，同时进行装配复杂度估算、装配成本估算及装配过程人机工程估算等。

2.4 虚拟技术的效果

目前虚拟装配技术已经在很多水电设备中得到使用，如公伯峡水电站、大朝山电站，通过虚拟技术的应用，提高的不仅仅是水电站的设备装配效率，通过系统实施,也能促进工程管理人员现代管理观念的更新, 增强机件模型的真实感。尤其是针对一些项目比较复杂、工期紧张、规模特大的水电站设备装配，虚拟技术有着很大的优势，针对出现的各种不确定因素以及协调工作容易偏差的问题而进行动态监控管理，从而将这些问题进行有效的解决。

[1]王嫦美,周亮,杨悦伟,李樑． 水轮发电机轴电流防护绝缘布置与装配过程控制[J]． 东方电气评论,2016,30(03):51-54．

[2]张毅,魏振宇． 中小型水电站机电设备的安装[J]． 科技风 ,2013,(04):151．

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