采掘機械產品的關鍵技術

張久洋

摘 要：本文簡述國內外挖掘機械技術差距，提高產品可靠性的關鍵技術，實施研發(fā)需要的技術手段和研發(fā)技。

關鍵詞：挖掘機械技術;研發(fā)技術;技術手段

引言

在經濟高速發(fā)展的中國，創(chuàng)新已成為一個轉變經濟增長模式的熱點話題。在工業(yè)設計領域，創(chuàng)新被稱之為地地道道的“待著鐐銬的舞蹈”，它是聯系圖形、概念、和工程的紐帶，必然要求工業(yè)設計師必須非常熟悉設計思維和設計表現、機器生產等等單個領域以及內在的相互聯系，在整個系統中尋找突破點。

我國是一個以煤炭為主要能源的國家，國家經濟的高速發(fā)展需要合理高效的煤炭開采和利用。煤炭的高效集約化生產已成為我國現代煤炭生產的主要模式。這種模式需要的依靠高效、可靠、自動化采掘和輸送的技術和設備來保障。推廣和發(fā)展這種生產模式依靠先進可靠的采掘設備。

經過多年來年我國開采技術以及設備的研究和開發(fā)，現在基本上滿足了我國煤炭機械化開采的要求。但是與國外煤炭開采設備技術水平相比，國產設備在總體水平和能力上還有距離，其中的主要表現在于設備的可靠性和自動化程度上。目前國內集約化生產的工作面主要依靠進口設備。

一、國內外采掘機械產品的差距分析

根據資料查閱在十多年間，以長壁高效綜采為代表的煤炭地下開采技術取得前所未有的新進展，主要體現在：高效綜采裝備的研制開發(fā)取得新的技術突破，綜采工作面生產能力大幅度提高（突破年產1000萬噸），出現了“一礦一面”年產數百萬噸煤炭的高產高效和集約化生產模式。鑒于我國以煤炭為主的能源結構和當前煤炭需求快速增長，高效綜采裝備也將成為能源開發(fā)技術重要的競爭領域。

二十世紀末期以來，高新技術不斷向傳統采礦領域滲透，美、澳、英、德等國家采用了大功率可控傳動、微機工況監(jiān)測監(jiān)控、自動化控制、機電- -體化設計等先進技術適應不同煤層條件的高效綜采大型設備。新型綜采設備在傳動功率、設計生產能力大幅度增加的同時，設備功能內涵發(fā)生重大突破，并實現了綜采生產過程的自動化控制。綜采成套設備的設計生產能力已經達到3000t/h以上，在適宜的煤層條件下，采煤工作面可實現年產800～1000萬噸，礦井的年產可突破1000萬噸。我國經歷了四十多年的綜采機械化技術的發(fā)展，國內綜采設備科研設計和制造企業(yè)已研制開發(fā)出具有較先進技術水平的大功率電牽引采煤機等裝備，生產能力達1500～ 2000t/h， 在適宜的煤層和礦井條件下，綜采工作面最好水平可實現年產3～4Mt。我國綜采設備設計制造、檢測雖已有一定基礎，但限于目前研究設計、制造水平和國內高強度優(yōu)質材料供應等基礎條件，即使是近年來新研制開發(fā)的綜采設備在技術性能、工作可靠性和使用壽命方面仍和國際先進水平有明顯差距。

國產綜采工作面裝備與國外同類設備比較主要表現在設備的生產能力低（功率小）、可靠性差、保護能力低、監(jiān)測監(jiān)控和自動化水平低等，最終影響到設備開機率、生產能力和設備壽命。造成以上問題的主要原因是：

（1）產品設計手段較落后，在產品性能的工程分析計算上研究較少，缺乏系統可靠性設計和產品設計性能的驗證分析手段。綜采工作面裝備為煤、矸滾簡切割、頂板支撐和煤、矸輸送型設備，工作中沖擊載荷大，嚴重影響產品的可靠性和壽命，現場使用中，往往是那里損壞補那里，可靠性和壽命始終達不到要求。

（2）綜采工作面成套裝備配套性差，系統存在薄弱環(huán)節(jié)，設備中一些關鍵環(huán)節(jié)可靠性差;機、電元部件的可靠性影響到整機的可靠性，整機的可靠性又影響到綜采成套系統的開機率。

因此，提高綜采裝備可靠性的的出路就是進行產品研發(fā)技術的創(chuàng)新。必需加大研發(fā)投入力度，重點圍繞提高綜采工作面裝備可靠性和自動化水平等方面展開研發(fā)。

礦山采掘機械以及地下工程掘進機械，是能源、礦產及城市建設的重大工業(yè)技術裝備，本課題的研究目的是提高我國這類工業(yè)裝備的設計制造水平，實現數字化設計和優(yōu)化設計，形成應用原型系統。

二、研發(fā)高可靠采掘機械產品的關鍵技術

研發(fā)高可靠性采掘裝備是一個系統工程，它涉及機械設計、材料研究、制造工藝、電氣自動化、數理統計、計算機信息等多學科。

研發(fā)高可靠性采掘裝備所需要研發(fā)的幾項關鍵技術是：

（一）煤及巖切割過程的接觸分析與采掘機械工作載荷確定

長期以來，我國采掘機械的截割工作機構的力學模型一直引用前蘇聯總結的實驗方法和計算公式，而采掘機械的截齒結構和功能已有較大的發(fā)展，利用基于的現有截割理論進行采掘機械的工況描述和產品設計，存在了很多不足。因此，需要借助CAE方法，進行截齒對煤巖破碎機理分析。

（二）采掘機械整體結構動力學分析

采掘機械的失效破壞大多數是由于局部構件的破壞而引起，這種局部破壞的延展將導致采掘機械的整體結構破壞，而且動力載荷在其中起到關鍵作用。

根據動力學的分析需要解決的問題是：根據經典力學分析原理，建立采掘機械整機受力的數學模型，采用三維模型設計平臺建立采煤機的三維數字模型。同時收集和應用前人的研究成果，采用力學解析法建立基于數據庫的較完整的采煤機整機負荷計算系統，并采用有限元法對采煤機整機受力分析結果進一步驗證。

分析采掘工作狀況下的滾筒在正常切割和斜切進刀時動載特性分析技術;在正常切割煤層中含夾矸條件下的滾筒動載特性分析技術;確定采掘機械整體結構的自振特性;基于參數化外載（滾筒載荷）下的采掘機械動力響應特性分析技術;

（三）采掘機械的強度和疲勞分析與優(yōu)化

采掘機械由于其長期工作在外載多變的復雜環(huán)境，據澳大利亞某大學學者研究發(fā)現，采煤機故障近70%發(fā)生在齒輪傳動系統上，其強度和疲勞壽命問題-直成為結構設計中最為關心的問題之一， 有效地對采掘機械進行強度與疲勞壽命的分析與優(yōu)化，對提高產品可靠性具有十分重要的意義。

（四）采掘機械的可靠性系統分析技術

研究采掘機械在工作載荷作用下的失效機理分析和主要失效模式;對于不能定量描述可靠性的失效模式，通過靜動力分析模擬，確認故障原因，采用定量分析的手段加強薄弱環(huán)節(jié)，以提高產品的可靠性;研究建立以產品成本（生產、使用、維護成本）和可靠度為目標和約束的采掘機械優(yōu)化設計模型。

三、結論

在我們高速發(fā)展的今天，高效集約化生產依靠高效的采掘機械裝備，采掘機械裝備的可靠性是一個系統工程問題，它涉及到多方面的學科研究，需要解決采掘機械中的截齒破煤機理和特性研究、采掘機械整體力學特性研究、關鍵部件的強度和疲勞壽命分析研究、采掘機械整體可靠性系統研究、采掘機械數字樣機性能評價研究等等，而這些分析研究需要依靠現代設計手段來開發(fā)來解決。

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