導(dǎo)語：現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在礦山機械設(shè)計的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：我國有十分豐富的礦產(chǎn)資源，而礦產(chǎn)資源的開采需要大量的機械設(shè)備，和傳統(tǒng)的礦山生產(chǎn)設(shè)備相比，現(xiàn)代化機械設(shè)備本身具備較強的性能，能夠提供多元化的井下作業(yè)服務(wù)。文章以礦山機械設(shè)備作為主要分析對象，以理論分析法及技術(shù)分析法為主要方式，結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在機械設(shè)備設(shè)計和管理中的實際應(yīng)用展開分析。礦山機械設(shè)備需要應(yīng)對較復(fù)雜的井下作業(yè)環(huán)境，其結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、性能與井下作業(yè)的質(zhì)量有直接關(guān)聯(lián)，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)可以為礦山機械設(shè)備賦能，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升、系統(tǒng)升級。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)；礦山機械；智慧礦山；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析；結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化技術(shù)；動力優(yōu)化

1礦山機械設(shè)計中現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用背景

現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)主要以新時期的數(shù)字化技術(shù)、計算機技術(shù)，以及新型機械結(jié)構(gòu)分析等理論為基礎(chǔ)，綜合不同領(lǐng)域的生產(chǎn)需求打造具有針對性的設(shè)計方法。和傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)具有較強的自動化特點及智能化優(yōu)勢，往往依托現(xiàn)代工程理論及邏輯分析理論，是大量學(xué)科知識整合之后的核心成果?，F(xiàn)代設(shè)計技術(shù)能夠為我國生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展提供更加先進的技術(shù)保障，在增強產(chǎn)品質(zhì)量和效益的同時，也可以更好地為社會發(fā)展服務(wù)[1]。礦山開采是我國能源行業(yè)發(fā)展的主要工程，而礦山開采行業(yè)面臨的環(huán)境較為惡劣，井下復(fù)雜的環(huán)境極有可能導(dǎo)致設(shè)備損壞，需要設(shè)備具備較強的功能，可以應(yīng)對復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。在礦山機械設(shè)備設(shè)計中，必須確保結(jié)構(gòu)具備合理性、可靠性、智能性、靈活性。礦山機械設(shè)備必須具備良好的結(jié)構(gòu)，符合地下生產(chǎn)作業(yè)需求；需要及時進行機械設(shè)備的性能優(yōu)化，提升設(shè)備應(yīng)用效率，確保系統(tǒng)具備拓展性和可升級空間。

2應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)

2.1可靠性概率設(shè)計

可靠性概率主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，是一種全面提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及可靠性的現(xiàn)代化設(shè)計理念，將其引入礦山機械結(jié)構(gòu)設(shè)計具備可行性。具體而言，在礦山機械設(shè)備原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確保在規(guī)定時間內(nèi)能夠完成預(yù)定功能的概率，就是可靠性概率。這是衡量機械設(shè)備應(yīng)用可行性的核心指標(biāo)，可以直接通過一次二階矩概率設(shè)計理論來完成設(shè)計，可靠性概率能夠全面提升機械設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全度，同時增強結(jié)構(gòu)合理性[2]。

2.2結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化技術(shù)

井下作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，在進行機械設(shè)備設(shè)計的過程中，有部分細節(jié)較模糊，如以目標(biāo)函數(shù)、約束條件為基礎(chǔ)進行的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本身具有較強的模糊性，需要通過反復(fù)的驗證和調(diào)整才可以增強設(shè)計的精準(zhǔn)性。因此針對不同的工況需要利用結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化技術(shù)進行設(shè)計，主要目的是，選擇不同設(shè)計方案得出的最優(yōu)值，通過系統(tǒng)對比及工況分析來確定最終的實際參數(shù)及結(jié)構(gòu)性能。如在尺寸和形狀的最后調(diào)整中，可以直接依托模糊理論來解決[3]。2.3CAD設(shè)計技術(shù)CAD設(shè)計渠道是當(dāng)前機械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心渠道，利用計算機作為主要的輔助軟件，不僅能夠快速地分析初始方案及改進方案之間的差異性，進行結(jié)構(gòu)分析及強校核，還可以通過單位目標(biāo)優(yōu)化的方式，對整體設(shè)備的材料應(yīng)用量、結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)，性能進行模擬分析。例如，在當(dāng)前的礦山開采領(lǐng)域已經(jīng)有了用于微型機的大型多功能mas程序系統(tǒng)，能夠直接在前期結(jié)構(gòu)設(shè)計中將相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入CAD軟件，可以提供合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，節(jié)省材料及成本；能夠全面提升最終機械成本的設(shè)計水平；可以有效定位機械設(shè)計過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞的原因及有害影響因素，也可以對機器系統(tǒng)進行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計。可以依托結(jié)構(gòu)靜動分析、結(jié)構(gòu)靜動優(yōu)化、計算機繪圖等技術(shù)，完善機械結(jié)構(gòu)各項細節(jié)，CAD設(shè)計渠道主要應(yīng)用于礦山機械設(shè)備的多單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，如桿、梁、板、殼等的設(shè)計[4]。

3應(yīng)用于機械性能優(yōu)化的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)

3.1有限元分析技術(shù)

有限元分析技術(shù)是應(yīng)用于機械設(shè)備性能優(yōu)化的核心方法，最初應(yīng)用于工程分析領(lǐng)域，可以直接分析幾何復(fù)雜、邊界不規(guī)則等受力對象，也可以分析機械設(shè)備所用材料的非線性、幾何非線性復(fù)雜問題。該技術(shù)主要用于礦山機械設(shè)備的受力分析領(lǐng)域，如電動挖掘機的動臂和斗桿。由于動臂和斗桿的結(jié)構(gòu)和受載的復(fù)雜性，在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，通常采取工程計算法，但是這種方式較復(fù)雜且精準(zhǔn)性不高。當(dāng)前已有學(xué)者通過有限元分析技術(shù)對動臂和斗桿進行應(yīng)力分析，用SAP5程序在動臂和斗桿處于最大受力狀態(tài)時進行計算，最終可以得出機械結(jié)構(gòu)每一塊鋼板的具體應(yīng)力分布情況，不僅能夠解決受力分析等問題，更可以提升機械整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。

3.2可靠性設(shè)計技術(shù)

可靠性設(shè)計技術(shù)與上文的可靠性概率有本質(zhì)上的區(qū)別，其針對礦山機械設(shè)備的性能可靠性進行優(yōu)化，需要將重點放在強度、載荷、結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)領(lǐng)域，同時要考慮隨機因素對性能產(chǎn)生的影響，這樣才可以全面提升礦山機械設(shè)備的使用壽命，也可以確保井下作業(yè)安全。當(dāng)前已有學(xué)者綜合可靠性設(shè)計技術(shù)對礦井提升機的整體性能進行了優(yōu)化，并且取得了良好的效果。主要的設(shè)計對象是礦井提升鋼絲繩的安全系數(shù)，針對其安全系數(shù)進行全方位評估，并且依托可靠性設(shè)計技術(shù)，對回采工作面單體液壓支柱的支護可靠性設(shè)計進行了研究，不僅增強了礦井提升機的整體性能，更為安全作業(yè)奠定了良好的基礎(chǔ)[6]。

3.3動態(tài)模擬設(shè)計技術(shù)

礦井機械設(shè)備需要在復(fù)雜的環(huán)境中運作，在這個過程中涉及大量信號的接收及傳遞，同時需要和整體智慧礦井系統(tǒng)進行對接，信息的傳遞及指令的下達需要通過前期的動態(tài)模擬進行試驗，這樣才可以確保設(shè)備跟隨整體系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。目前，我國在大型礦井采掘機械動態(tài)模擬設(shè)計方面的系統(tǒng)研究還很少，致使大型采掘機械新機型的設(shè)計和老機型的結(jié)構(gòu)改進舉步維艱。但是已經(jīng)有部分系統(tǒng)可以利用動態(tài)模擬設(shè)計技術(shù)進行優(yōu)化，如礦井提升容器在進入楔形箱道、緊急制動和切換電阻啟動等工作狀態(tài)下的外載荷與時間的關(guān)系問題，可以通過動態(tài)模擬設(shè)計技術(shù)來解決。

3.4摩擦學(xué)設(shè)計技術(shù)

井下作業(yè)內(nèi)容較復(fù)雜，涉及既有煤礦的井下井上運輸，也涉及人員及相關(guān)資源的傳遞，其中的傳送設(shè)備性能是多方關(guān)注的重點。分析傳送設(shè)備性能，需要重點關(guān)注接觸、滾動、滑動時的摩擦、磨損與潤滑。由于井下作業(yè)環(huán)境較惡劣，大部分的傳輸設(shè)備在長時間運作過程中會產(chǎn)生較嚴重的摩擦及損耗，如鋼絲繩、減速器、提升機、刮板運輸機和綜采機等。以摩擦學(xué)為基礎(chǔ)打造的摩擦學(xué)設(shè)計技術(shù)主要將重點放在了提升傳輸設(shè)備穩(wěn)定性方面。我國早在20世紀80年代末期已經(jīng)開展了摩擦學(xué)設(shè)計理論與應(yīng)用的相關(guān)研究，并且針對礦山掘進機主減速器的摩擦學(xué)進行了分析，研發(fā)出了煤礦電機車車輪的增摩延壽材料，在投入使用之后，能夠有效提升設(shè)備的運行壽命。

4應(yīng)用于機械系統(tǒng)優(yōu)化的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)

4.1智能化技術(shù)

優(yōu)化礦山機械設(shè)備系統(tǒng)的主要目的是確保設(shè)備自身的系統(tǒng)和整體智慧礦山的運維系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，及時地進行自主優(yōu)化及智能化監(jiān)督。智能化技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)中的重要組成部分，也是全面提升礦山機械設(shè)備系統(tǒng)質(zhì)量的主要技術(shù)。智能化技術(shù)立足智能傳感器及信息接收設(shè)備，打造集成的傳感網(wǎng)絡(luò)，通過控制器和執(zhí)行器，能夠結(jié)合井下運行環(huán)境進行全方位的自適應(yīng)檢測及損傷自愈和操作，本身具備一定的生命特征。智能化技術(shù)也是新時期礦山機械設(shè)計領(lǐng)域最受歡迎的技術(shù)，是實現(xiàn)智能采礦及構(gòu)建自動化系統(tǒng)平臺的主要依據(jù)。如依托機器人技術(shù)及紅外技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)監(jiān)管及緊急救災(zāi)。智能化的礦山系統(tǒng)可以依托終端設(shè)備及安裝于機械設(shè)備的智能傳感器，打造多元化的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程設(shè)備遙控及指揮。例如，某礦山打造了一種智能化礦山系統(tǒng)，實現(xiàn)從采礦點到貨運車站、端到端的礦山機械無人化智能管理，其具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)中的無人礦山管控中心對無人礦山全面實時監(jiān)控與綜合調(diào)度。無人礦卡運輸平臺接收來自無人礦山管控中心發(fā)來的指令，控制無人礦卡以指令規(guī)定的速度按照目標(biāo)路線運行，并根據(jù)搭載在無人礦卡上的傳感器發(fā)來的信息，實現(xiàn)無人礦卡的自動行駛，完成裝載、運輸、卸載的循環(huán)操作。

4.2并行設(shè)計技術(shù)

并行設(shè)計技術(shù)是以計算機及通信技術(shù)為核心的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，主要應(yīng)用在礦山機械設(shè)備的設(shè)計、制造、支持過程，能夠打造并聯(lián)的一體化設(shè)計方案。當(dāng)前，絕大部分煤礦設(shè)備都安裝了故障監(jiān)測系統(tǒng)，這些故障監(jiān)測系統(tǒng)是后續(xù)進行加裝的，和原設(shè)備之間往往存在著部分不協(xié)調(diào)的細節(jié)，而并行設(shè)計技術(shù)可以通過分析各種類型、參數(shù)的煤礦機械設(shè)備，打造具有針對性的故障監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方案，確保不同設(shè)備有交互路徑，全面提升不同設(shè)備之間的適配程度，也可以為礦山機械設(shè)備的安全運行奠定良好基礎(chǔ)。

4.3虛擬技術(shù)

虛擬技術(shù)是建立在礦山機械設(shè)備前期設(shè)計及實驗基礎(chǔ)上的新型技術(shù)。礦山機械設(shè)備規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，前期制造成本較高，為了確保設(shè)備充分滿足井下作業(yè)的實際需求，并且與整體的礦山運轉(zhuǎn)系統(tǒng)相對接，還需要通過反復(fù)實驗來進行檢測。若進行常規(guī)的實體試驗，必然會浪費大量的人力、物力及成本，而虛擬技術(shù)可以打造三維立體可視化模型，模擬礦山機械設(shè)備運行過程中的變量參數(shù)，如可以模擬環(huán)境中的噪聲、溫變、力變、磨損、振動等參數(shù)，分析機械設(shè)備系統(tǒng)的運行狀態(tài)；觀察不同設(shè)備配合運轉(zhuǎn)過程中的運動受力情況，結(jié)合實際情況提出修正意見。虛擬技術(shù)在礦山機械設(shè)備的系統(tǒng)優(yōu)化及匹配安裝中有著極強應(yīng)用價值，能夠提升設(shè)備的運轉(zhuǎn)質(zhì)量。

5礦山機械設(shè)計的未來發(fā)展方向及設(shè)計重點

（1）需要大力推廣利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方式進行礦產(chǎn)機械設(shè)備創(chuàng)新的方式。結(jié)合我國生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀來看，航空、國防等領(lǐng)域紛紛開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的學(xué)術(shù)交流會議，而土建部門也舉辦了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的專門講座。這也代表結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是當(dāng)前工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的重點。我國能源開采行業(yè)的繁榮發(fā)展離不開優(yōu)秀的機械設(shè)備，大量的礦山機械設(shè)備必須進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，才可以逐步滿足未來的能源開采需求。因此礦山機械設(shè)備的設(shè)計師及研究人員要注意逐步推廣和應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計相關(guān)的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，并且及時地開展相關(guān)講座及培訓(xùn)，并且設(shè)定研究課題，這樣才可以確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為未來發(fā)展的主要任務(wù)，同時能夠提升現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用價值。（2）需要將重點放在機械結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化方面。傳統(tǒng)的礦山機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以靜力優(yōu)化為主，而在未來需要將這種優(yōu)化逐漸過渡到動力優(yōu)化。但是不應(yīng)該完全摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)勢，需要以借鑒優(yōu)勢技術(shù)的方法，在結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對礦機結(jié)構(gòu)進行動力優(yōu)化設(shè)入計。傳統(tǒng)設(shè)計過程中的固有頻率、動態(tài)響應(yīng)等特性對于礦山的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有極為重要的作用。動力優(yōu)化是建立在原有靜力優(yōu)化的基礎(chǔ)上打造的新型頻率約束體系，包括動強度約束、動剛度約束等。（3）需要打造一體化的結(jié)構(gòu)體系，這樣能夠全面提升機械設(shè)備設(shè)計的整體性，避免資源和成本浪費。例如，底盤、車架、機架等結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化程序，需要按照結(jié)構(gòu)的通用性、統(tǒng)一性、組合性原則建立程序包。這有助于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)升級及統(tǒng)一整合，更可以改善傳統(tǒng)人工設(shè)計的各項差異，通過結(jié)構(gòu)包能夠?qū)崿F(xiàn)自動化設(shè)計及調(diào)整。

6結(jié)束語

綜上所述，在當(dāng)前的礦山設(shè)備優(yōu)化和創(chuàng)新的過程中，需要將重點放在現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的融合角度，取其精華去其糟粕，進一步提升現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用價值；同時，從礦山機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能、系統(tǒng)優(yōu)化方面，合理選擇設(shè)計技術(shù)進行創(chuàng)新，預(yù)留具備升級和創(chuàng)新的空間，這樣才可以為我國礦山開采領(lǐng)域的發(fā)展提供更為完善的技術(shù)體系。

作者：辛煥成 單位：本鋼冶金渣公司