論現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

邱前進(jìn)

摘 要：分析現(xiàn)代礦山機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，明確礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的重要性和必要性，介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，并提出了在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題，以期對(duì)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(jì)方法;礦山機(jī)械設(shè)備;設(shè)計(jì)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TD402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）09-0049-03

0 引言

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

1 礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

從20世紀(jì)80年代起，我國礦山機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)就已經(jīng)在不斷地引入國外的先進(jìn)技術(shù)，而歐美等發(fā)達(dá)國家的礦山機(jī)械研發(fā)與設(shè)備設(shè)計(jì)也紛紛引入國內(nèi)，對(duì)我國的礦井機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等方面的投資上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械制圖、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的創(chuàng)新，一些城市的礦山機(jī)械也在不斷的發(fā)展，比如國內(nèi)的一些礦山機(jī)械，已經(jīng)完成了冷熱工藝的改造，并設(shè)立了研究和試驗(yàn)基地。由于國內(nèi)某些地方礦山設(shè)備存在著嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩現(xiàn)象，許多企業(yè)將目光轉(zhuǎn)向國外，從而導(dǎo)致了礦山機(jī)械的出口增長[1]。礦山機(jī)械設(shè)備工作流程圖如圖1所示。

過去一段時(shí)間里工業(yè)化的發(fā)展使礦井機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)入了黃金時(shí)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(jī)械發(fā)展的黃金時(shí)代已經(jīng)過去，設(shè)備的設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)出衰退的趨勢(shì)。雖然我國的能源消費(fèi)仍以傳統(tǒng)能源為主，但對(duì)礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)需求卻在逐步放緩。全球金融危機(jī)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)造成了一定的沖擊，對(duì)礦井機(jī)械的研究和設(shè)計(jì)也造成了一定的影響，經(jīng)濟(jì)危機(jī)過后，礦井機(jī)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(jì)復(fù)蘇的時(shí)候才會(huì)好轉(zhuǎn)。同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國礦產(chǎn)資源也在不斷地減少，礦用機(jī)械的需求增長空間也逐步減少。

2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)意義上的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師根據(jù)平時(shí)的工作經(jīng)驗(yàn)和所搜集到的資料，采用直接的方法進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，更多的是依靠設(shè)計(jì)者的智慧行為。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)改進(jìn)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(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)思維、科學(xué)的設(shè)計(jì)決策等，設(shè)計(jì)出適合實(shí)際生產(chǎn)的設(shè)計(jì)方案，可以更好地利用設(shè)計(jì)師的知識(shí)和創(chuàng)造力。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是基于對(duì)產(chǎn)品功能的理解和對(duì)市場發(fā)展的認(rèn)識(shí)，把現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論應(yīng)用到生產(chǎn)中。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)也隨之發(fā)展，并呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：第一，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，對(duì)社會(huì)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用，尤其是在現(xiàn)代的設(shè)計(jì)領(lǐng)域;第二，多學(xué)科的知識(shí)被運(yùn)用在現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)上，不僅豐富了現(xiàn)代設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，而且還拓展了現(xiàn)代設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍，為設(shè)計(jì)師提供了新的思路;第三，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)方法在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)用綠色設(shè)計(jì)理念

在當(dāng)今世界，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)是一個(gè)十分突出的問題，因此綠色設(shè)計(jì)在當(dāng)今世界是一個(gè)非常重要的概念。綠色設(shè)計(jì)理念是把知識(shí)、信息、科學(xué)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，最大限度地降低對(duì)環(huán)境的污染，從而達(dá)到人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。綠色設(shè)計(jì)在產(chǎn)品整個(gè)壽命周期內(nèi)達(dá)到環(huán)保目的，同時(shí)不會(huì)對(duì)外部環(huán)境造成污染，可以實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)約。因?yàn)榈V山機(jī)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(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)流程如圖2所示。必須確保其性能和安全性，而綠色設(shè)計(jì)理念在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)上的應(yīng)用也可以提升其環(huán)保效益。

3.2 在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是目前機(jī)械設(shè)計(jì)中普遍采用的一種設(shè)計(jì)方式，其最大的特點(diǎn)是可以從整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的角度，對(duì)各種機(jī)械的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、功率、重量等進(jìn)行優(yōu)化，使其在不影響整個(gè)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(jí)項(xiàng)目為例，其2200臺(tái)礦石車需要升級(jí)，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(duì)礦車的使用特點(diǎn)，對(duì)舊車的問題進(jìn)行了針對(duì)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(jī)械的采購成本。

3.3 應(yīng)用有限元法加強(qiáng)礦山機(jī)械設(shè)備的改進(jìn)

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

3.4 在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAD技術(shù)

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

3.5 在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)用人機(jī)工程設(shè)計(jì)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(xiǎn)，而且開采的機(jī)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(jìn)行機(jī)械作業(yè)，盡量減少因操作不當(dāng)引起的安全事故，因?yàn)樵诘V產(chǎn)品開采過程中即使是一個(gè)小小的失誤也會(huì)造成嚴(yán)重的安全隱患。

人機(jī)工程技術(shù)是指在充分考慮礦山機(jī)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(cuò)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(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中采用人機(jī)工程學(xué)，使礦山機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)度，使礦井機(jī)械的生產(chǎn)安全得到有效提高。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，在礦山機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中運(yùn)用人機(jī)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(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)用可靠性設(shè)計(jì)

礦山機(jī)械設(shè)備的可靠性是衡量其產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。礦山機(jī)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(jī)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(jì)是礦山機(jī)械設(shè)計(jì)工作中不可或缺的一項(xiàng)重要內(nèi)容。同時(shí)為了保證機(jī)器的壽命，必須要從穩(wěn)健性設(shè)計(jì)技術(shù)的角度來考慮。

在礦山機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)中，采用科學(xué)、高效的方法進(jìn)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(jìn)行作業(yè)[4]。而檢測過程中，設(shè)計(jì)者常常要進(jìn)行大量的科學(xué)試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致的分析、統(tǒng)計(jì)、整理、分析，盡量改善機(jī)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(yùn)行。可靠性設(shè)計(jì)可以通過控制系統(tǒng)的非線性來進(jìn)行，通過合理的控制，以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)就是通過對(duì)需求的預(yù)測，利用現(xiàn)有的理論和技術(shù)建立一個(gè)全新的產(chǎn)品。從功能上講，就是要對(duì)原有的產(chǎn)品進(jìn)行改造，提高產(chǎn)品的整體競爭力。隨著時(shí)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(shí)到礦山機(jī)械設(shè)備更新?lián)Q代的重要性，并設(shè)計(jì)出自動(dòng)化、智能化的機(jī)器，以滿足礦山生產(chǎn)的需要。

4 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在礦山機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的必要性

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(duì)礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因此礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)工作更應(yīng)突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的先進(jìn)方法和理念，使礦山機(jī)械的技術(shù)特點(diǎn)能夠更多地滿足礦藏開采企業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。

5 結(jié)語

前述中提到的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法較符合礦山機(jī)械的特性與設(shè)計(jì)需求，在礦山機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)思想和方法運(yùn)用到礦井機(jī)械的設(shè)計(jì)中，使礦山機(jī)械的設(shè)計(jì)方法更加科學(xué)化、先進(jìn)。今后，礦山機(jī)械設(shè)計(jì)將成為高科技產(chǎn)品的重點(diǎn)發(fā)展方向，廣大的設(shè)計(jì)者要與時(shí)俱進(jìn)，不斷地學(xué)習(xí)新的知識(shí)，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(jiān)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(jì)開發(fā)出具有市場競爭能力和擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良礦山機(jī)械產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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