矿山井下动态教学仿真设备模型制作需严格遵循煤矿安全标准与教学功能需求，其技术参数涉及结构设计、动力控制、交互功能、安全防护等多维度要求。以下是基于行业实践与技术标准的核心参数解析：

一、结构设计与比例参数

1. 模型比例通常采用1:5 至 1:10 比例缩小真实设备，兼顾空间利用率与细节还原度。例如，WKJJ-B 型掘进机仿真模型总长≥5m，保留截割头、铲板、履带等关键部件的几何特征。

2. 材质选择

• 主体框架：采用Q235B 钢结构，钢板厚度≥3mm，表面经喷塑防腐处理，盐雾试验耐腐蚀时间≥1000 小时。

• 透明展示区：煤层、巷道等场景使用5mm 有机玻璃，透光率≥92%，抗冲击强度≥16MPa。

• 运动部件：截割臂、油缸等采用45 号钢，调质处理后硬度 HRC28-32，确保动态载荷下的抗变形能力。

3. 尺寸精度

• 关键部件外形误差≤±1%（如截割头直径 250mm±2.5mm）。

• 运动关节配合间隙≤0.5mm，确保动作平顺性。

二、动态驱动与控制参数

1. 动力系统

• 截割电机功率 180W（220V），转速 50-100r/min，模拟真实切削阻力。

• 行走部采用双电机驱动，速度 10-20m/min，爬坡能力 ±30°。

• 系统压力10-30MPa，采用齿轮泵（排量 10L/min），电机功率 4.0kW，油温控制在 30-60℃。

• 油缸行程≥100mm，速度调节范围 0.1-0.5m/s，定位精度 ±1mm。

• 液压驱动：

• 电力驱动：

2. 控制系统

• PLC 核心：采用西门子 S7-200 SMART 或三菱 FX3U 系列，输入输出点数≥32 路，响应时间≤10ms。

• 人机交互：配备 10.1 英寸工业触摸屏，分辨率 1280×800，支持手势操作与故障模拟参数设置。

• 通讯协议：支持 Modbus RTU 与 TCP/IP，可连接上位机实现远程监控。

三、仿真功能与参数

1. 运动仿真

• 截割臂动作：上下摆动角度 ±30°，左右旋转 ±90°，伸缩行程≥100mm，动作同步误差≤200ms。

• 铲板与后支撑：铲板升降高度≥300mm，后支撑油缸行程≥100mm，动作响应时间≤1s。

• 履带行走：双电机差速转向，转弯半径≤2m，模拟井下复杂地形行走。

2. 故障模拟

• 机械故障：可模拟截齿磨损（截割力下降 30%）、链条断裂（运输机停机）等 20 余种典型故障，精度 ±5%。

• 电气故障：短路、过载、漏电等模拟，触发后系统自动切断电源，响应时间≤0.5s。

• 瓦斯超限：当甲烷浓度≥1.0% 时声光报警，≥1.5% 时切断动力电源，响应时间≤20s。

3. 数据采集

• 配置压力传感器（精度 ±0.5% FS）、位移传感器（精度 ±0.1mm）、转速传感器（精度 ±1r/min），实时监测设备运行参数。

• 数据存储：支持≥1 年历史数据存储，可通过 USB 或以太网导出 CSV 格式文件。

四、安全防护与认证

1. 防爆设计

• 电气部件符合GB 3836.1-2021标准，取得 Ma 级防爆认证，隔爆外壳承受 1.5 倍爆炸压力（≥0.8MPa），接合面间隙≤0.15mm。

• 本安型传感器与线路，短路电流≤0.5A，确保瓦斯环境下的本质安全。

2. 机械防护

• 运动部件加装不锈钢防护栏，间隙≤50mm，防止误触。

• 液压系统设双安全阀，压力超过额定值 110% 时自动卸压，保护设备与人员安全。

3. 环境适应性

• 工作温度：0-40℃，湿度≤95% RH（无凝露），抗振动（10-150Hz，300m/s²）与冲击（1000m/s²）。

• 阻燃性能：非金属材料氧指数≥32%，符合 MT/T 1097-2008 标准。

五、交互与教学功能参数

1. 虚拟仿真软件

• 三维漫游：支持巷道、工作面等场景自由切换，定位精度 ±0.5m。

• 设备拆解：可动态展示截割头、液压阀组等部件的内部结构与工作原理。

• 引擎平台：采用 Unity3D 或 Unreal Engine，支持 4K 分辨率渲染，帧率≥60FPS。

• 场景功能：

• 考核系统：自动记录操作步骤，评分误差≤5%，生成包含时间、动作序列的 PDF 报告。

2. 物理交互设备

• 操作台：配备真实矿用操作手柄，行程 50mm，力反馈 3-5N，模拟真实操作手感。

• VR 外设：可选配 HTC Vive Focus 3 等 VR 头显，视场角≥120°，支持 6 自由度动作捕捉，延迟≤20ms。

六、制造工艺与检测标准

1. 加工精度

• 焊接质量：焊缝高度≥3mm，无气孔、裂纹，超声波探伤合格率 100%。

• 机加工精度：轴类零件同轴度≤0.05mm，孔类零件圆柱度≤0.03mm。

2. 装配调试

• 运动部件空载运行≥2 小时，噪音≤75dB（A），温升≤20℃。

• 整机负载测试：模拟截割阻力 15kN，连续运行 8 小时无故障。

3. 认证与测试

• 通过国家煤矿防爆安全产品质量监督检验中心认证，取得 MA 标志。

• 第三方检测：振动试验（GB/T 2423.10）、盐雾试验（GB/T 10125）等，确保可靠性。

七、典型设备参数示例

八、优化建议

1. 模块化设计：将设备分为动力、控制、仿真等独立模块，便于维护与升级，模块化率≥70%。

2. 数字孪生技术：集成实时数据采集与虚拟模型同步，实现设备状态的虚实映射，提升教学直观性。

3. 云平台管理：通过物联网将多台设备接入云端，支持远程监控、数据共享与在线培训。