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

摘要：我國(guó)有十分豐富的礦產(chǎn)資源，而礦產(chǎn)資源的開(kāi)采需要大量的機(jī)械設(shè)備，和傳統(tǒng)的礦山生產(chǎn)設(shè)備相比，現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)備本身具備較強(qiáng)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(jī)械設(shè)備作為主要分析對(duì)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(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和管理中的實(shí)際應(yīng)用展開(kāi)分析。礦山機(jī)械設(shè)備需要應(yīng)對(duì)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(jì)技術(shù)可以為礦山機(jī)械設(shè)備賦能，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升、系統(tǒng)升級(jí)。

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

1礦山機(jī)械設(shè)計(jì)中現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用背景

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)主要以新時(shí)期的數(shù)字化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及新型機(jī)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(duì)性的設(shè)計(jì)方法。和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)具有較強(qiáng)的自動(dòng)化特點(diǎn)及智能化優(yōu)勢(shì)，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(shí)整合之后的核心成果?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?yàn)槲覈?guó)生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展提供更加先進(jìn)的技術(shù)保障，在增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量和效益的同時(shí)，也可以更好地為社會(huì)發(fā)展服務(wù)[1]。礦山開(kāi)采是我國(guó)能源行業(yè)發(fā)展的主要工程，而礦山開(kāi)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(qiáng)的功能，可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)進(jìn)行機(jī)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(jí)空間。

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

2.1可靠性概率設(shè)計(jì)

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(jì)理念，將其引入礦山機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具備可行性。具體而言，在礦山機(jī)械設(shè)備原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確保在規(guī)定時(shí)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(jī)械設(shè)備應(yīng)用可行性的核心指標(biāo)，可以直接通過(guò)一次二階矩概率設(shè)計(jì)理論來(lái)完成設(shè)計(jì)，可靠性概率能夠全面提升機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全度，同時(shí)增強(qiáng)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(jìn)行機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有部分細(xì)節(jié)較模糊，如以目標(biāo)函數(shù)、約束條件為基礎(chǔ)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本身具有較強(qiáng)的模糊性，需要通過(guò)反復(fù)的驗(yàn)證和調(diào)整才可以增強(qiáng)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性。因此針對(duì)不同的工況需要利用結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要目的是，選擇不同設(shè)計(jì)方案得出的最優(yōu)值，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)比及工況分析來(lái)確定最終的實(shí)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(lái)解決[3]。2.3CAD設(shè)計(jì)技術(shù)CAD設(shè)計(jì)渠道是當(dāng)前機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心渠道，利用計(jì)算機(jī)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(jìn)方案之間的差異性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及強(qiáng)校核，還可以通過(guò)單位目標(biāo)優(yōu)化的方式，對(duì)整體設(shè)備的材料應(yīng)用量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)，性能進(jìn)行模擬分析。例如，在當(dāng)前的礦山開(kāi)采領(lǐng)域已經(jīng)有了用于微型機(jī)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(jì)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(jì)方案，節(jié)省材料及成本；能夠全面提升最終機(jī)械成本的設(shè)計(jì)水平；可以有效定位機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)機(jī)器系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。可以依托結(jié)構(gòu)靜動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)優(yōu)化、計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)，完善機(jī)械結(jié)構(gòu)各項(xiàng)細(xì)節(jié)，CAD設(shè)計(jì)渠道主要應(yīng)用于礦山機(jī)械設(shè)備的多單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如桿、梁、板、殼等的設(shè)計(jì)[4]。

3應(yīng)用于機(jī)械性能優(yōu)化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)象，也可以分析機(jī)械設(shè)備所用材料的非線性、幾何非線性復(fù)雜問(wèn)題。該技術(shù)主要用于礦山機(jī)械設(shè)備的受力分析領(lǐng)域，如電動(dòng)挖掘機(jī)的動(dòng)臂和斗桿。由于動(dòng)臂和斗桿的結(jié)構(gòu)和受載的復(fù)雜性，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采取工程計(jì)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(guò)有限元分析技術(shù)對(duì)動(dòng)臂和斗桿進(jìn)行應(yīng)力分析，用SAP5程序在動(dòng)臂和斗桿處于最大受力狀態(tài)時(shí)進(jìn)行計(jì)算，最終可以得出機(jī)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(wèn)題，更可以提升機(jī)械整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。

3.2可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)

可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)與上文的可靠性概率有本質(zhì)上的區(qū)別，其針對(duì)礦山機(jī)械設(shè)備的性能可靠性進(jìn)行優(yōu)化，需要將重點(diǎn)放在強(qiáng)度、載荷、結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)領(lǐng)域，同時(shí)要考慮隨機(jī)因素對(duì)性能產(chǎn)生的影響，這樣才可以全面提升礦山機(jī)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(jì)技術(shù)對(duì)礦井提升機(jī)的整體性能進(jìn)行了優(yōu)化，并且取得了良好的效果。主要的設(shè)計(jì)對(duì)象是礦井提升鋼絲繩的安全系數(shù)，針對(duì)其安全系數(shù)進(jìn)行全方位評(píng)估，并且依托可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)回采工作面單體液壓支柱的支護(hù)可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，不僅增強(qiáng)了礦井提升機(jī)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(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)

礦井機(jī)械設(shè)備需要在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)作，在這個(gè)過(guò)程中涉及大量信號(hào)的接收及傳遞，同時(shí)需要和整體智慧礦井系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，信息的傳遞及指令的下達(dá)需要通過(guò)前期的動(dòng)態(tài)模擬進(jìn)行試驗(yàn)，這樣才可以確保設(shè)備跟隨整體系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，我國(guó)在大型礦井采掘機(jī)械動(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì)方面的系統(tǒng)研究還很少，致使大型采掘機(jī)械新機(jī)型的設(shè)計(jì)和老機(jī)型的結(jié)構(gòu)改進(jìn)舉步維艱。但是已經(jīng)有部分系統(tǒng)可以利用動(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如礦井提升容器在進(jìn)入楔形箱道、緊急制動(dòng)和切換電阻啟動(dòng)等工作狀態(tài)下的外載荷與時(shí)間的關(guān)系問(wèn)題，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)解決。

3.4摩擦學(xué)設(shè)計(jì)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(yùn)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(diǎn)。分析傳送設(shè)備性能，需要重點(diǎn)關(guān)注接觸、滾動(dòng)、滑動(dòng)時(shí)的摩擦、磨損與潤(rùn)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的摩擦及損耗，如鋼絲繩、減速器、提升機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)和綜采機(jī)等。以摩擦學(xué)為基礎(chǔ)打造的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)主要將重點(diǎn)放在了提升傳輸設(shè)備穩(wěn)定性方面。我國(guó)早在20世紀(jì)80年代末期已經(jīng)開(kāi)展了摩擦學(xué)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用的相關(guān)研究，并且針對(duì)礦山掘進(jìn)機(jī)主減速器的摩擦學(xué)進(jìn)行了分析，研發(fā)出了煤礦電機(jī)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(yùn)行壽命。

4應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

4.1智能化技術(shù)

優(yōu)化礦山機(jī)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(yùn)維系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，及時(shí)地進(jìn)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(jì)技術(shù)中的重要組成部分，也是全面提升礦山機(jī)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(guò)控制器和執(zhí)行器，能夠結(jié)合井下運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行全方位的自適應(yīng)檢測(cè)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(shí)期礦山機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域最受歡迎的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)智能采礦及構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)的主要依據(jù)。如依托機(jī)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(jī)械設(shè)備的智能傳感器，打造多元化的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)從采礦點(diǎn)到貨運(yùn)車站、端到端的礦山機(jī)械無(wú)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(wú)人礦山管控中心對(duì)無(wú)人礦山全面實(shí)時(shí)監(jiān)控與綜合調(diào)度。無(wú)人礦卡運(yùn)輸平臺(tái)接收來(lái)自無(wú)人礦山管控中心發(fā)來(lái)的指令，控制無(wú)人礦卡以指令規(guī)定的速度按照目標(biāo)路線運(yùn)行，并根據(jù)搭載在無(wú)人礦卡上的傳感器發(fā)來(lái)的信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)人礦卡的自動(dòng)行駛，完成裝載、運(yùn)輸、卸載的循環(huán)操作。

4.2并行設(shè)計(jì)技術(shù)

并行設(shè)計(jì)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)為核心的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，主要應(yīng)用在礦山機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、支持過(guò)程，能夠打造并聯(lián)的一體化設(shè)計(jì)方案。當(dāng)前，絕大部分煤礦設(shè)備都安裝了故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是后續(xù)進(jìn)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(xì)節(jié)，而并行設(shè)計(jì)技術(shù)可以通過(guò)分析各種類型、參數(shù)的煤礦機(jī)械設(shè)備，打造具有針對(duì)性的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)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(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)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(jī)械設(shè)備前期設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的新型技術(shù)。礦山機(jī)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(shí)際需求，并且與整體的礦山運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)相對(duì)接，還需要通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。若進(jìn)行常規(guī)的實(shí)體試驗(yàn)，必然會(huì)浪費(fèi)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(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(dòng)等參數(shù)，分析機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；觀察不同設(shè)備配合運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)受力情況，結(jié)合實(shí)際情況提出修正意見(jiàn)。虛擬技術(shù)在礦山機(jī)械設(shè)備的系統(tǒng)優(yōu)化及匹配安裝中有著極強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值，能夠提升設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量。

5礦山機(jī)械設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展方向及設(shè)計(jì)重點(diǎn)

（1）需要大力推廣利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行礦產(chǎn)機(jī)械設(shè)備創(chuàng)新的方式。結(jié)合我國(guó)生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，航空、國(guó)防等領(lǐng)域紛紛開(kāi)展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)交流會(huì)議，而土建部門(mén)也舉辦了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的專門(mén)講座。這也代表結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。我國(guó)能源開(kāi)采行業(yè)的繁榮發(fā)展離不開(kāi)優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)備，大量的礦山機(jī)械設(shè)備必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，才可以逐步滿足未來(lái)的能源開(kāi)采需求。因此礦山機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)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(jì)相關(guān)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，并且及時(shí)地開(kāi)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(lái)發(fā)展的主要任務(wù)，同時(shí)能夠提升現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。（2）需要將重點(diǎn)放在機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化方面。傳統(tǒng)的礦山機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以靜力優(yōu)化為主，而在未來(lái)需要將這種優(yōu)化逐漸過(guò)渡到動(dòng)力優(yōu)化。但是不應(yīng)該完全摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，需要以借鑒優(yōu)勢(shì)技術(shù)的方法，在結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)礦機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力優(yōu)化設(shè)入計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的固有頻率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特性對(duì)于礦山的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有極為重要的作用。動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度約束、動(dòng)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(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的整體性，避免資源和成本浪費(fèi)。例如，底盤(pán)、車架、機(jī)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(jí)及統(tǒng)一整合，更可以改善傳統(tǒng)人工設(shè)計(jì)的各項(xiàng)差異，通過(guò)結(jié)構(gòu)包能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)及調(diào)整。

6結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前的礦山設(shè)備優(yōu)化和創(chuàng)新的過(guò)程中，需要將重點(diǎn)放在現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的融合角度，取其精華去其糟粕，進(jìn)一步提升現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)，從礦山機(jī)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(jì)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，預(yù)留具備升級(jí)和創(chuàng)新的空間，這樣才可以為我國(guó)礦山開(kāi)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