邱前進

摘 要：分析現(xiàn)代礦山機械設(shè)備的設(shè)計方法，明確礦山機械設(shè)備設(shè)計的重要性和必要性，介紹現(xiàn)代設(shè)計方法在礦山機械設(shè)備設(shè)計中的運用，并提出了在礦山機械設(shè)備設(shè)計中應(yīng)該注意的幾個問題，以期對提高礦山生產(chǎn)效率、提高開采質(zhì)量起到一定的作用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)計方法;礦山機械設(shè)備;設(shè)計應(yīng)用

中圖分類號：TD402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）09-0049-03

0 引言

隨著經(jīng)濟、社會的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，各行業(yè)間的競爭日益激烈，市場對礦產(chǎn)品的需求與日俱增。同時，對礦產(chǎn)資源生產(chǎn)所需要的機械設(shè)備精度要求也日益提高，而先進、高效的現(xiàn)代設(shè)計手段在礦山機械設(shè)計中的地位日益凸顯。在這種背景下，需要從現(xiàn)代設(shè)計的相關(guān)理論入手，分析討論加強礦山機械設(shè)計方法的必要性，進一步分析諸如CAD技術(shù)、有限元法等現(xiàn)代設(shè)計方法在礦山機械設(shè)計中的應(yīng)用，從而提高機械設(shè)計的質(zhì)量，使礦井機械的設(shè)計效率得到改善和優(yōu)化。

1 礦山機械設(shè)備設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

從20世紀80年代起，我國礦山機械設(shè)備的設(shè)計就已經(jīng)在不斷地引入國外的先進技術(shù)，而歐美等發(fā)達國家的礦山機械研發(fā)與設(shè)備設(shè)計也紛紛引入國內(nèi)，對我國的礦井機械產(chǎn)生了深刻的影響。在我國的工業(yè)發(fā)展速度越來越快的今天，相關(guān)部門越來越重視礦業(yè)的發(fā)展，在機械設(shè)計、機械制造等方面的投資上，已經(jīng)實現(xiàn)了機械制圖、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的創(chuàng)新，一些城市的礦山機械也在不斷的發(fā)展，比如國內(nèi)的一些礦山機械，已經(jīng)完成了冷熱工藝的改造，并設(shè)立了研究和試驗基地。由于國內(nèi)某些地方礦山設(shè)備存在著嚴重的產(chǎn)能過?，F(xiàn)象，許多企業(yè)將目光轉(zhuǎn)向國外，從而導(dǎo)致了礦山機械的出口增長[1]。礦山機械設(shè)備工作流程圖如圖1所示。

過去一段時間里工業(yè)化的發(fā)展使礦井機械設(shè)備的設(shè)計進入了黃金時期，而近幾年，由于新能源在人類的生產(chǎn)和工作中占有很大的比重，礦井機械發(fā)展的黃金時代已經(jīng)過去，設(shè)備的設(shè)計也呈現(xiàn)出衰退的趨勢。雖然我國的能源消費仍以傳統(tǒng)能源為主，但對礦山機械的設(shè)計需求卻在逐步放緩。全球金融危機對我國經(jīng)濟造成了一定的沖擊，對礦井機械的研究和設(shè)計也造成了一定的影響，經(jīng)濟危機過后，礦井機械的發(fā)展速度開始放緩，這種情況恐怕要持續(xù)到全球經(jīng)濟復(fù)蘇的時候才會好轉(zhuǎn)。同時隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國礦產(chǎn)資源也在不斷地減少，礦用機械的需求增長空間也逐步減少。

2 現(xiàn)代設(shè)計方法

傳統(tǒng)意義上的設(shè)計是設(shè)計師根據(jù)平時的工作經(jīng)驗和所搜集到的資料，采用直接的方法進行機械設(shè)計，更多的是依靠設(shè)計者的智慧行為。而現(xiàn)代設(shè)計改進了這種方法，使其更具邏輯性和條理性，在充分了解和理解市場的競爭狀況和產(chǎn)品的功能要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計理念、設(shè)計思維、科學(xué)的設(shè)計決策等，設(shè)計出適合實際生產(chǎn)的設(shè)計方案，可以更好地利用設(shè)計師的知識和創(chuàng)造力。

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是基于對產(chǎn)品功能的理解和對市場發(fā)展的認識，把現(xiàn)代設(shè)計理論應(yīng)用到生產(chǎn)中。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)也隨之發(fā)展，并呈現(xiàn)出如下特點：第一，以計算機技術(shù)為核心，對社會的發(fā)展起到了很大的促進作用，尤其是在現(xiàn)代的設(shè)計領(lǐng)域;第二，多學(xué)科的知識被運用在現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)上，不僅豐富了現(xiàn)代設(shè)計的內(nèi)涵，而且還拓展了現(xiàn)代設(shè)計的應(yīng)用范圍，為設(shè)計師提供了新的思路;第三，現(xiàn)代設(shè)計方法使傳統(tǒng)的設(shè)計方法更加科學(xué)、智能化、系統(tǒng)化，使產(chǎn)品的性能符合市場需求[2]。

3 現(xiàn)代設(shè)計方法在礦山機械設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 在礦山機械設(shè)備設(shè)計中應(yīng)用綠色設(shè)計理念

在當今世界，生態(tài)環(huán)境的保護是一個十分突出的問題，因此綠色設(shè)計在當今世界是一個非常重要的概念。綠色設(shè)計理念是把知識、信息、科學(xué)技術(shù)有機地結(jié)合起來，最大限度地降低對環(huán)境的污染，從而達到人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。綠色設(shè)計在產(chǎn)品整個壽命周期內(nèi)達到環(huán)保目的，同時不會對外部環(huán)境造成污染，可以實現(xiàn)資源的節(jié)約。因為礦山機械設(shè)備使用場合的特殊性，工作環(huán)節(jié)十分眾多，礦山機械設(shè)備設(shè)計流程如圖2所示。必須確保其性能和安全性，而綠色設(shè)計理念在礦山機械設(shè)備設(shè)計上的應(yīng)用也可以提升其環(huán)保效益。

3.2 在礦山機械設(shè)備設(shè)計中應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計是目前機械設(shè)計中普遍采用的一種設(shè)計方式，其最大的特點是可以從整個機械設(shè)計的角度，對各種機械的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、功率、重量等進行優(yōu)化，使其在不影響整個結(jié)構(gòu)的情況下提高設(shè)備工作效率。以 BHPIronOre公司的礦石車升級項目為例，其2200臺礦石車需要升級，光是更換一輛車就得花一大筆錢。而通過與LynxEngi-neering公司合作，后者根據(jù)礦車的使用特性，針對礦車的使用特點，對舊車的問題進行了針對性的研究，開發(fā)出了一種新型車型。該車型不但可以提高燃燒效率，還可以保證與原有車型的技術(shù)一致性，極大地減少了人力資源的培訓(xùn)和維修系統(tǒng)的改造，既能滿足生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)需求，也能節(jié)省礦山機械的采購成本。

3.3 應(yīng)用有限元法加強礦山機械設(shè)備的改進

由于礦山機械設(shè)備在開采過程中的受力狀況比較復(fù)雜，其工作狀態(tài)下的受力分析與計算都很困難，所以一般都是利用有限元方法來進行礦山機械設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計。有限元設(shè)計是一種非常有效的工程力學(xué)分析手段，它能對復(fù)雜的幾何形狀、不規(guī)則的邊界和不均勻的應(yīng)力進行分析，并能處理復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)的材料、幾何非線性等復(fù)雜問題。由于礦井機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用有限元方法進行礦井機械的設(shè)計具有很好的適用性。比如，挖掘類礦山機械設(shè)備結(jié)構(gòu)的計算和載荷的計算比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計方法多采用簡單的方法，并對一些危險性比較大的部分進行計算和校核，以確保機械設(shè)計的精確度和可靠性。在簡化計算時，設(shè)計者難以確保計算的精度和風(fēng)險斷面的復(fù)驗精度，為此需要加強有限元方法的運用，利用計算機技術(shù)精確地確定礦山機械設(shè)備的應(yīng)力分布，找到其弱點，并根據(jù)實際情況和薄弱環(huán)節(jié)，制定科學(xué)、高效的改進方案，以提高設(shè)備的質(zhì)量和工作效率[3]，現(xiàn)代礦山機械設(shè)備概覽如圖3所示。

3.4 在礦山機械設(shè)備設(shè)計中應(yīng)用CAD技術(shù)

CAD技術(shù)是礦山機械設(shè)計中應(yīng)用最廣泛的一項技術(shù)，它是指設(shè)計人員運用計算機技術(shù)的軟硬件進行設(shè)計。在實際應(yīng)用中包括設(shè)計分析、工程分析、繪圖文檔、編制文檔等內(nèi)容。加強 CAD技術(shù)在礦山機械設(shè)計中的應(yīng)用，不僅可以實現(xiàn)設(shè)計集成與模塊化，而且還可以利用 CAPP系統(tǒng)對設(shè)計過程進行合理的規(guī)劃，并將計算機中的產(chǎn)品模型引入NC程序，尤其是在NC機床上，可以直接把加工代碼錄入到NC程序中。

3.5 在礦山機械設(shè)備設(shè)計中應(yīng)用人機工程設(shè)計技術(shù)

由于礦山的作業(yè)環(huán)境比較惡劣，在礦產(chǎn)品的開采過程中往往存在著極大的風(fēng)險，而且開采的機器設(shè)備工作條件十分苛刻，工人們要把注意力放在相應(yīng)的設(shè)備操作上，全神貫注地進行機械作業(yè)，盡量減少因操作不當引起的安全事故，因為在礦產(chǎn)品開采過程中即使是一個小小的失誤也會造成嚴重的安全隱患。

人機工程技術(shù)是指在充分考慮礦山機械設(shè)備作業(yè)環(huán)境的前提下，滿足人們的使用習(xí)慣，提高工人的工作舒適性，降低作業(yè)人員的操作錯誤，以確保作業(yè)人員的生命安全，提高設(shè)備的安全性和有效性，為礦山的安全生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。在礦山機械設(shè)備設(shè)計中采用人機工程學(xué)，使礦山機械設(shè)備的設(shè)計更適合于人類的生理和心理習(xí)慣，更能提高工人的工作舒適性，降低工人的勞動強度，使礦井機械的生產(chǎn)安全得到有效提高。隨著經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，在礦山機械設(shè)備設(shè)計中運用人機工程學(xué)的可能性大大提高，逐漸引起相關(guān)工作人員的高度重視。

3.6 在礦山機械設(shè)備設(shè)計中應(yīng)用可靠性設(shè)計

礦山機械設(shè)備的可靠性是衡量其產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的一個重要指標。礦山機械的工作環(huán)境十分惡劣，在復(fù)雜的工作環(huán)境中，礦山機械設(shè)備的工作質(zhì)量和工作效率將直接影響到礦井的正常生產(chǎn)，所以可靠性設(shè)計是礦山機械設(shè)計工作中不可或缺的一項重要內(nèi)容。同時為了保證機器的壽命，必須要從穩(wěn)健性設(shè)計技術(shù)的角度來考慮。

在礦山機械設(shè)備的設(shè)計中，采用科學(xué)、高效的方法進行可靠性檢測，以確保在不同環(huán)境、不同荷載情況下，設(shè)備都能夠高效地進行作業(yè)[4]。而檢測過程中，設(shè)計者常常要進行大量的科學(xué)試驗，通過對試驗現(xiàn)象進行細致的分析、統(tǒng)計、整理、分析，盡量改善機械設(shè)備的缺陷，保證設(shè)備的安全、可靠，從而保證設(shè)備的安全、高效運行?？煽啃栽O(shè)計可以通過控制系統(tǒng)的非線性來進行，通過合理的控制，以達到最優(yōu)的設(shè)計目的，并將其性能結(jié)合起來，解決各種干擾問題，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.7 在礦山機械設(shè)備設(shè)計中應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計

創(chuàng)新設(shè)計就是通過對需求的預(yù)測，利用現(xiàn)有的理論和技術(shù)建立一個全新的產(chǎn)品。從功能上講，就是要對原有的產(chǎn)品進行改造，提高產(chǎn)品的整體競爭力。隨著時代的飛速發(fā)展，技術(shù)和產(chǎn)品也在不斷地更新，因此必須明確地意識到礦山機械設(shè)備更新?lián)Q代的重要性，并設(shè)計出自動化、智能化的機器，以滿足礦山生產(chǎn)的需要。

4 現(xiàn)代設(shè)計方法在礦山機械設(shè)計中應(yīng)用的必要性

隨著社會和經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及采礦行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，越來越多埋藏形態(tài)被開發(fā)出來。在可持續(xù)發(fā)展理念下，煤礦企業(yè)的生產(chǎn)要更加注重生態(tài)、環(huán)保和環(huán)境友好。采礦行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展對礦山機械的設(shè)計提出了更高的要求，因此礦山機械的設(shè)計工作更應(yīng)突破傳統(tǒng)的設(shè)計思想和方法，根據(jù)煤礦企業(yè)的生存與發(fā)展需要，積極引進現(xiàn)代機械設(shè)計的先進方法和理念，使礦山機械的技術(shù)特點能夠更多地滿足礦藏開采企業(yè)和社會經(jīng)濟發(fā)展的要求。

5 結(jié)語

前述中提到的現(xiàn)代設(shè)計方法較符合礦山機械的特性與設(shè)計需求，在礦山機械設(shè)計中得到了良好的應(yīng)用效果，未來需要將越來越多地將現(xiàn)代設(shè)計思想和方法運用到礦井機械的設(shè)計中，使礦山機械的設(shè)計方法更加科學(xué)化、先進。今后，礦山機械設(shè)計將成為高科技產(chǎn)品的重點發(fā)展方向，廣大的設(shè)計者要與時俱進，不斷地學(xué)習(xí)新的知識，樹立新的觀念，把現(xiàn)代數(shù)字化、智能化、平行化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)相融合，堅持以可靠為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新為基礎(chǔ)，充分利用信息資源，設(shè)計開發(fā)出具有市場競爭能力和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良礦山機械產(chǎn)品。

參考文獻

[1] 李周軍，王秀峰.自動化控制技術(shù)在礦山機械設(shè)備設(shè)計與制造中的應(yīng)用探討[J].中國機械，2019（3）：41-42.

[2] 莊松巖.自動化控制在礦山機械設(shè)備設(shè)計與制造中的應(yīng)用探討[J].世界有色金屬，2018（16）：42，44.

[3] 金國，吳瓊.基于現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計理念的農(nóng)機產(chǎn)品設(shè)計[J].藝術(shù)探索，2010，24（1）：117-118.

[4] 李海峰.機電技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用研究——評《機電設(shè)備與機械電子制造》[J].鑄造，2021，70（4）：514-514.