Мониторинг состояния резательной стрелы анкрового экскаватора на основе цифрового двойника

Наблюдение за безопасностью тяжёлой техники

Глубоко под землёй мощные машины для проходки прорезают породу, чтобы люди могли добираться до угля и других ресурсов. Если критическая деталь ломается внезапно, работы останавливаются, ремонт стоит дорого, а работники могут оказаться под риском. В этом исследовании показано, как виртуальная копия режущей стрелы проходческого комплекса — «цифровой двойник» — может наблюдать за машиной в реальном времени, предсказывать, когда ключевые узлы испытывают перегрузки или изнашиваются, и помогать сделать эксплуатацию безопаснее и эффективнее.

Почему проходческим машинам нужна более умная поддержка

Современные угольные шахты опираются на интегрированные комплексы, которые одновременно фрезеруют забой и устанавливают анкерные крепления для стабилизации кровли. Эти машины работают в стеснённых, агрессивных условиях тоннелей, сталкиваясь с меняющимися слоями породы и большими нагрузками. Их режущие стрелы испытывают циклический изгиб и кручение при подъёме, врезании, опускании и проходке по полу. Традиционно инженеры проводят детальные компьютерные расчёты, чтобы понять эти силы, но такие вычисления могут занимать часы. Это слишком медленно, чтобы руководить решениями во время работы машины, поэтому операторы вынуждены полагаться на приближённые правила и запаздывающие проверки.

Создание виртуального двойника режущей стрелы

Исследователи поставили цель создать виртуальный аналог стрелы, который ведёт себя как реальный объект, но может реагировать за секунды вместо часов. Они начали с упрощения реальной проходческой машины и построили испытательную модель в масштабе одна восьмая. На основе этой масштабной модели они провели детальные численные симуляции режущей стрелы при основных операциях: подъёме, врезании в угольную стенку, опускании и проходке по полу. Эти расчёты показали, как силы передаются от вращающегося барабана в стрелу и далее в корпус машины, а также где в металле стрелы возникают максимальные напряжения.

Обучение быстрого заместителя имитации медленных расчётов

Поскольку запуск полных симуляций на каждом моменте работы слишком медлен, команда обучила «заместительную» модель — математический суррогат, который может почти мгновенно предсказывать распределение напряжений. Они тщательно отобрали множество рабочих условий, таких как разные силы резания, углы стрелы и положения цилиндров, и использовали полученные данные симуляций для обучения суррогата тому, как меняются напряжения по поверхности стрелы. Продвинутые методы выборки и обучения помогли модели сосредоточиться на наиболее критичных, высоконапряжённых областях при сохранении управляемого числа обучающих случаев. Тесты показали, что предсказания суррогата хорошо соответствуют исходным симуляциям, с небольшими отклонениями в максимальных напряжениях для широкого диапазона условий.

От карт напряжений к оставшемуся ресурсу

Как только быстрый суррогат начал выдавать карты напряжений в реальном времени, команда связала его с методами усталостного анализа, которые оценивают, как циклические нагрузки постепенно разрушают металл. Отслеживая историю напряжений в каждом цикле резания и применяя известные правила накопления повреждений, цифровой двойник может оценить, сколько ещё служебного ресурса осталось у режущей стрелы. Для демонстрации исследователи создали платформу мониторинга в среде Unity 3D. Там 3D-модель стрелы окрашивается как погодная карта, показывая, где напряжения максимальны и как предсказанный оставшийся ресурс меняется при подъёме, врезании и проходке.

Проверка двойника на реальном стенде

Далее команда проверила свои идеи на физическом настольном стенде, имитирующем режущий механизм. Они закрепили тензодатчики — маленькие приборы для измерения деформации металла — в ключевых точках стрелы и провели серию экспериментов с подъёмом и нагрузкой. При сравнении этих измерений с предсказаниями суррогатной модели общие тенденции совпадали, а различия в значениях напряжений в целом находились в допустимых пределах. Некоторые внезапные, нерегулярные события было сложнее отобразить, что указывает на то, что дополнительные данные для обучения и лучшее учёт редких условий могут ещё улучшить точность.

Что это значит для более безопасной проходки

Комбинируя детальную физику, быстрые заместительные модели и интерактивную 3D-визуализацию, эта работа демонстрирует, что цифровой двойник способен мониторить режущую стрелу проходческого комплекса в реальном времени. Вместо того чтобы ждать часов ради тяжёлых расчётов или полагаться на редкие инспекции, операторы шахт могут видеть, насколько интенсивно работает стрела, насколько близко она к пределам и когда следует планировать техническое обслуживание. Подход значительно сокращает время вычислений при сохранении ошибок на практическом уровне, открывая путь к более умной, безопасной и надёжной подземной добыче.

Цитирование: Xie, C., Chen, X., Liu, Z. et al. Health status monitoring of cutting arm of anchor excavator based on digital twin. Sci Rep 16, 8139 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38290-4

Ключевые слова: цифровой двойник, проходческий комплекс, мониторинг структурного состояния, заместительная модель, усталостный ресурс