現代設計技術在礦山機械設計的應用

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摘要：我國有十分豐富的礦產資源，而礦產資源的開采需要大量的機械設備，和傳統的礦山生產設備相比，現代化機械設備本身具備較強的性能，能夠提供多元化的井下作業服務。文章以礦山機械設備作為主要分析對象，以理論分析法及技術分析法為主要方式，結合現代設計技術在機械設備設計和管理中的實際應用展開分析。礦山機械設備需要應對較復雜的井下作業環境，其結構、系統、性能與井下作業的質量有直接關聯，現代設計技術可以為礦山機械設備賦能，可以實現結構優化、性能提升、系統升級。

關鍵詞：現代設計技術；礦山機械；智慧礦山；結構設計；有限元分析；結構模糊優化技術；動力優化

1礦山機械設計中現代設計技術的應用背景

現代設計技術主要以新時期的數字化技術、計算機技術，以及新型機械結構分析等理論為基礎，綜合不同領域的生產需求打造具有針對性的設計方法。和傳統的設計方法相比，現代設計技術具有較強的自動化特點及智能化優勢，往往依托現代工程理論及邏輯分析理論，是大量學科知識整合之后的核心成果?，F代設計技術能夠為我國生產行業的發展提供更加先進的技術保障，在增強產品質量和效益的同時，也可以更好地為社會發展服務[1]。礦山開采是我國能源行業發展的主要工程，而礦山開采行業面臨的環境較為惡劣，井下復雜的環境極有可能導致設備損壞，需要設備具備較強的功能，可以應對復雜的作業環境。在礦山機械設備設計中，必須確保結構具備合理性、可靠性、智能性、靈活性。礦山機械設備必須具備良好的結構，符合地下生產作業需求；需要及時進行機械設備的性能優化，提升設備應用效率，確保系統具備拓展性和可升級空間。

2應用于機械結構優化的現代設計技術

2.1可靠性概率設計

可靠性概率主要應用在工業生產中，是一種全面提升系統結構穩定性及可靠性的現代化設計理念，將其引入礦山機械結構設計具備可行性。具體而言，在礦山機械設備原有結構的基礎上，確保在規定時間內能夠完成預定功能的概率，就是可靠性概率。這是衡量機械設備應用可行性的核心指標，可以直接通過一次二階矩概率設計理論來完成設計，可靠性概率能夠全面提升機械設備結構的安全度，同時增強結構合理性[2]。

2.2結構模糊優化技術

井下作業環境較復雜，在進行機械設備設計的過程中，有部分細節較模糊，如以目標函數、約束條件為基礎進行的結構設計，本身具有較強的模糊性，需要通過反復的驗證和調整才可以增強設計的精準性。因此針對不同的工況需要利用結構模糊優化技術進行設計，主要目的是，選擇不同設計方案得出的最優值，通過系統對比及工況分析來確定最終的實際參數及結構性能。如在尺寸和形狀的最后調整中，可以直接依托模糊理論來解決[3]。2.3CAD設計技術CAD設計渠道是當前機械設備結構設計的核心渠道，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，進行結構分析及強校核，還可以通過單位目標優化的方式，對整體設備的材料應用量、結構強度、結構，性能進行模擬分析。例如，在當前的礦山開采領域已經有了用于微型機的大型多功能mas程序系統，能夠直接在前期結構設計中將相關參數導入CAD軟件，可以提供合理的結構設計方案，節省材料及成本；能夠全面提升最終機械成本的設計水平；可以有效定位機械設計過程中出現結構損壞的原因及有害影響因素，也可以對機器系統進行多目標的優化設計。可以依托結構靜動分析、結構靜動優化、計算機繪圖等技術，完善機械結構各項細節，CAD設計渠道主要應用于礦山機械設備的多單元結構設計，如桿、梁、板、殼等的設計[4]。

3應用于機械性能優化的現代設計技術

3.1有限元分析技術

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

3.2可靠性設計技術

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

3.3動態模擬設計技術

礦井機械設備需要在復雜的環境中運作，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進行對接，信息的傳遞及指令的下達需要通過前期的動態模擬進行試驗，這樣才可以確保設備跟隨整體系統正常運轉。目前，我國在大型礦井采掘機械動態模擬設計方面的系統研究還很少，致使大型采掘機械新機型的設計和老機型的結構改進舉步維艱。但是已經有部分系統可以利用動態模擬設計技術進行優化，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下的外載荷與時間的關系問題，可以通過動態模擬設計技術來解決。

3.4摩擦學設計技術

井下作業內容較復雜，涉及既有煤礦的井下井上運輸，也涉及人員及相關資源的傳遞，其中的傳送設備性能是多方關注的重點。分析傳送設備性能，需要重點關注接觸、滾動、滑動時的摩擦、磨損與潤滑。由于井下作業環境較惡劣，大部分的傳輸設備在長時間運作過程中會產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。以摩擦學為基礎打造的摩擦學設計技術主要將重點放在了提升傳輸設備穩定性方面。我國早在20世紀80年代末期已經開展了摩擦學設計理論與應用的相關研究，并且針對礦山掘進機主減速器的摩擦學進行了分析，研發出了煤礦電機車車輪的增摩延壽材料，在投入使用之后，能夠有效提升設備的運行壽命。

4應用于機械系統優化的現代設計技術

4.1智能化技術

優化礦山機械設備系統的主要目的是確保設備自身的系統和整體智慧礦山的運維系統相關聯，及時地進行自主優化及智能化監督。智能化技術是現代設計技術中的重要組成部分，也是全面提升礦山機械設備系統質量的主要技術。智能化技術立足智能傳感器及信息接收設備，打造集成的傳感網絡，通過控制器和執行器，能夠結合井下運行環境進行全方位的自適應檢測及損傷自愈和操作，本身具備一定的生命特征。智能化技術也是新時期礦山機械設計領域最受歡迎的技術，是實現智能采礦及構建自動化系統平臺的主要依據。如依托機器人技術及紅外技術，能夠實現礦井的安全生產監管及緊急救災。智能化的礦山系統可以依托終端設備及安裝于機械設備的智能傳感器，打造多元化的傳輸網絡，實現遠程設備遙控及指揮。例如，某礦山打造了一種智能化礦山系統，實現從采礦點到貨運車站、端到端的礦山機械無人化智能管理，其具體的結構如圖1所示。該系統中的無人礦山管控中心對無人礦山全面實時監控與綜合調度。無人礦卡運輸平臺接收來自無人礦山管控中心發來的指令，控制無人礦卡以指令規定的速度按照目標路線運行，并根據搭載在無人礦卡上的傳感器發來的信息，實現無人礦卡的自動行駛，完成裝載、運輸、卸載的循環操作。

4.2并行設計技術

并行設計技術是以計算機及通信技術為核心的現代設計技術，主要應用在礦山機械設備的設計、制造、支持過程，能夠打造并聯的一體化設計方案。當前，絕大部分煤礦設備都安裝了故障監測系統，這些故障監測系統是后續進行加裝的，和原設備之間往往存在著部分不協調的細節，而并行設計技術可以通過分析各種類型、參數的煤礦機械設備，打造具有針對性的故障監測系統及監測方案，確保不同設備有交互路徑，全面提升不同設備之間的適配程度，也可以為礦山機械設備的安全運行奠定良好基礎。

4.3虛擬技術

虛擬技術是建立在礦山機械設備前期設計及實驗基礎上的新型技術。礦山機械設備規模較大，結構較復雜，前期制造成本較高，為了確保設備充分滿足井下作業的實際需求，并且與整體的礦山運轉系統相對接，還需要通過反復實驗來進行檢測。若進行常規的實體試驗，必然會浪費大量的人力、物力及成本，而虛擬技術可以打造三維立體可視化模型，模擬礦山機械設備運行過程中的變量參數，如可以模擬環境中的噪聲、溫變、力變、磨損、振動等參數，分析機械設備系統的運行狀態；觀察不同設備配合運轉過程中的運動受力情況，結合實際情況提出修正意見。虛擬技術在礦山機械設備的系統優化及匹配安裝中有著極強應用價值，能夠提升設備的運轉質量。

5礦山機械設計的未來發展方向及設計重點

（1）需要大力推廣利用結構優化設計的方式進行礦產機械設備創新的方式。結合我國生產領域的發展現狀來看，航空、國防等領域紛紛開展了結構優化設計的學術交流會議，而土建部門也舉辦了結構優化設計的專門講座。這也代表結構優化設計是當前工業及相關領域發展的重點。我國能源開采行業的繁榮發展離不開優秀的機械設備，大量的礦山機械設備必須進行結構優化，才可以逐步滿足未來的能源開采需求。因此礦山機械設備的設計師及研究人員要注意逐步推廣和應用結構優化設計相關的現代設計技術，并且及時地開展相關講座及培訓，并且設定研究課題，這樣才可以確保結構優化成為未來發展的主要任務，同時能夠提升現代設計技術的應用價值。（2）需要將重點放在機械結構動力優化方面。傳統的礦山機械設備的結構優化以靜力優化為主，而在未來需要將這種優化逐漸過渡到動力優化。但是不應該完全摒棄傳統的設計優勢，需要以借鑒優勢技術的方法，在結構靜力優化的基礎上，對礦機結構進行動力優化設入計。傳統設計過程中的固有頻率、動態響應等特性對于礦山的結構優化有極為重要的作用。動力優化是建立在原有靜力優化的基礎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構體系，這樣能夠全面提升機械設備設計的整體性，避免資源和成本浪費。例如，底盤、車架、機架等結構件的優化程序，需要按照結構的通用性、統一性、組合性原則建立程序包。這有助于系統結構升級及統一整合，更可以改善傳統人工設計的各項差異，通過結構包能夠實現自動化設計及調整。

6結束語

綜上所述，在當前的礦山設備優化和創新的過程中，需要將重點放在現代設計技術和傳統設計技術的融合角度，取其精華去其糟粕，進一步提升現代設計技術的應用價值；同時，從礦山機械設備的結構、性能、系統優化方面，合理選擇設計技術進行創新，預留具備升級和創新的空間，這樣才可以為我國礦山開采領域的發展提供更為完善的技術體系。

作者：辛煥成 單位：本鋼冶金渣公司