現代設計技術在礦山機械設計中的應用分析

邵 騰

礦山機械設備類型多，價格相對較高，為了適應礦山環境，礦山機械的體積也會相應增加，內部結構更加復雜，更新換代情況較為少見，導致礦山機械設計逐漸落后。此外，礦山機械的培訓方式較為形式化，僅利用教材、PowerPoint 圖畫等方式，對礦山機械進行片面化培訓，使相關技術學員受到各種限制而無法發揮出礦山機械設計的熱情。在新晉技術人員不了解礦山機械的結構情況下，只了解其設計原理不能為礦山機械的設計創造有利價值。現如今的礦山企業機械設備較多，但是機械均屬于較為落后的狀態，零件與結構相對復雜，礦山開采能力較弱，達不到預期的礦山開采效果。此時，機械設計的技術人員如果不能準確識別現有機械的零部件，對礦山開采的效果影響更大。因此，本文結合現代設計技術，應用于礦山機械設計中，為礦山的開采提供優化方案。

1 基于現代設計技術的礦山機械設計方法

1.1 采集礦山機械設備設計信息

在應用現代設計技術的過程中，礦山機械設計信息的采集是重中之重。為了保證礦山機械的設計精準度，本文首先對礦山機械的資料、操作與生產規程、礦山環境等信息進行采集。以上信息是礦山機械設計的基礎，缺少設備的基本信息，機械信息的完整性與準確性將會喪失，從而影響礦山的開采效果。需要采集的礦山機械設備信息如下圖1 所示。

如圖1 所示，本文設計的方法中以采礦機、掘進機、錨桿鉆機、各類開關、水泵、變壓變頻器、絞車、保護輸送等裝置、運輸車輛、風機、提升設備、電氣、安全自救裝置等信息的采集為主，通過對設備的圖紙資料信息的采集，即可確定礦山機械設計方法的主要規程與機械原理。在礦山開采的過程中，需要使用采礦機，并利用掘進機進行開路，保證采礦的流暢性。通過各類開關、水泵、變頻器的使用，可以保證礦山機械在實際開采礦物中的應用效果，節省礦山開采時間。絞車可以將開采后的廢石料進行收繳，減少碎石料對礦山環境的污染。在每個礦山機械中均會設計出綜合保護裝置，與輸送裝置，從而保證礦山機械的安全使用。在此基礎上，礦山開采時，每個員工均需要熟記安全自救措施，可以保證施工人員的安全施工效果。本文為了采集的信息更加精準，對礦山環境進行現場采集，得到相關機械結構、說明書等信息，并采用現場錄制與拍攝的方式，得到較為清晰的機械結構，將得到的信息記錄完整并分類，保證礦山機械的操作者正確與規范性的使用，在錄制現場中，礦山機械設備安裝流程與注意事項等信息均需要完整的采集，增加礦山機械設計的真實感、交互感，以及融入感，為后期礦山機械的設計提供基礎準備工作。一般情況下，礦山機械為大型機械設備，往往不容易運輸，如果礦山機械設備設計成較小的體型，將會影響開礦或掘進狀態，因此，礦山機械的體型成為礦山機械設計的難題。本文將使用現代設計技術，對礦山機械進行優化，使其更加適應礦山的開采環境。

圖1 礦山機械設備設計信息

1.2 基于現代設計技術計算礦山機械設備平衡指標

由于傳統設計技術年代久遠，各項技術手段更新不完全，導致應用領域逐漸減少，為了改變這一現狀，本文應用現代設計技術，面向大眾設計的更具經驗化的技術。本文以現代設計技術的知識性與經驗性為基礎，將其所蘊含的知識應用于礦山機械的設計上，通過技術與管理兩方面，深入了解礦山機械設備，使礦山機械設備的設計更加符合礦山開采環境。在應用現代設計技術過程中，計算機械平衡指標至關重要，機械設備的平衡問題是生產階段的關鍵，在市場需求分析與生產能力分析方面，計算機械平衡指標可以得到最佳生產間隔時間，細化工作站的數量，有利于解決機械設備零部件生產線上的各類問題。為此，本文將礦山機械設備生產過程的平衡問題進行分類，分類結果如下表1 所示。

表1 礦山機械設備生產平衡的分類

如表1 所示，I 類礦山機械生產平衡問題適用于新方法的機械設計階段，考慮到市場需求，礦山機械的生產能力與機械設備的最佳生產間隔時間有關，生產間隔時間越短，工作站就會相應減少，從而減少礦山機械的前期投入，進而提高礦山機械生產率，由此得出的礦山機械生產平衡指標。

由于機械的不可再生性，工作站中的機械元素生產總時間，經常超過生產間隔時間，導致生產率下降，為此本文對礦山機械平衡指標進行優化。

通過研究得出礦山機械平衡指標，對于提升礦山機械的生產率將會有一個質的飛躍。由于礦山的開采環境較為復雜，礦山機械需要將大塊巖石放置于機械內，通過高速運轉的機械，將石塊進行多次撞擊，再將小石塊進行碎石處理，即可以將大石塊進行破碎與擠壓，達成破碎石塊的目的。此種機械是礦山中主要使用的機械，可以縮短人工碎石的時間，提高礦山的生產力的發展。本文使用現代設計技術，將傳統礦山機械進行優化，考慮到礦山機械的使用功能與機械外觀兩個方面，本文將機械設備的平衡指標進行計算。在此基礎上，本文融合現代設計技術，將礦山機械的外觀、結構、性能、材質進行二次優化，摒棄傳統礦山機械易損壞的缺點，將現代設計理論進行充分運用，將機械圖紙中的點、線、面、尺寸、比例等細節一一優化，保證礦山機械可以更加貼合礦山環境，提升礦山機械的生產效率。

1.3 分析礦山機械設備的布局約束條件

通過礦山機械設備的平衡指標計算，將會優化機械設備的設計布局，本文將進一步設計機械設備布局的約束條件，限制礦山機械設備的適用環境。本文設計的約束條件中，以硬件約束為主，工藝約束為輔，中間穿插一些特性約束。具體約束條件如下圖2 所示。

如圖2 所示，本文將約束條件細化，分為設計模式約束、機械形狀約束、機械尺寸約束、零部件位置約束、機械特性約束、派生約束等。通過以上約束條件，可以將礦山機械的生產率進一步提高，并適應礦山的開采環境，為礦產資源開采提供先決條件。在礦山機械的設計過程中，本文利用現代設計技術，通過約束礦山機械設備的布局，保證機械可以更好的適應礦山環境。所謂現代設計技術，就是利用礦山機械的現代理論，結合科學原理，進行重新構思，設計出更加符合礦山環境的機械。此種設計方式，是以礦山環境為核心，以簡單便捷為基礎設計而成，在礦山開始的時長環境可以占據一席之地。由于礦山環境復雜，地質環境較差，礦山機械設備往往會出現磨損、毀壞、停機等故障，影響礦山開采過程中的實際使用效果。本文考慮到礦山機械的環境，利用現代設計技術，以設備耐用性為核心，增加礦山機械設備的使用壽命，將容易磨損的區域進行包裹，從而減少磨損故障。并在使用礦山機械的過程中，加入相關監測系統，對機械進行實時監測。此系統中存在使用數據采集模塊、使用情況分析模塊、狀態監測模塊、設備維護模塊、易損壞警報模塊等，通過不同使用數據的采集，可以了解機械的基礎狀態；在此基礎上分析并監測機械使用情況，可以保證機械的安全使用效果；在設備使用過后，該系統會對機械內部使用狀況進行監測，并在后臺更新機械使用技術，保證礦山機械的后續使用效果；設置易損壞報警模塊可以對即將出現的損害狀況進行預警，防止機械的過度磨損。

圖2 礦山機械設備的布局約束條件

1.4 實現礦山機械的優化設計

現代設計技術是集合創新技術、優勢設計、穩健設計、模糊設計、虛擬設計、綠色設計等為一體的技術。其中，機械創新技術是利用新的模式，新的設計理念，將礦山機械設計成性能更佳的設備，并在經濟實用的基礎上，增強礦山機械質量的方式；再將現代設計技術中的優勢進行融合，面向礦山環境進行設計，保證機械設備在礦山中擁有更佳的適應性；穩健設計可以保證礦山機械的穩定運行效果，減少其他因素對礦山機械使用的影響；模糊設計是利用模糊理論，將礦山機械設計成使用壽命更長的機械，通過模糊函數可以解決部分不確定性因素，從而保證礦山機械可以具有定性定量處理礦物的效果；虛擬設計是以虛擬技術為原型，將其融合至礦山機械的設計中，可以對機械進行綜合性的評價，借助虛擬技術，可以實現人機交互，從而保證機械使用情況；綠色設計是以保證環境需求的前提下，可以保證周圍生產環境狀態的設計理念，礦山機械存在設計——使用——回收等三個階段，在每一個階段均需要保證“綠色”，考慮到礦山的實際環境，機械需要提升回收率，減少有害物質的使用，既可以避免污染，又可以提高生產質量。因此，通過現代設計技術，可以將礦山機械設計的更加完善。本文使用現代設計技術，首先，對礦山機械設備設計信息進行采集，保證信息采集精度；其次，利用模糊理論與虛擬技術，計算礦山機械設備平衡指標；最后，分析礦山機械設備的布局約束條件，防止礦山環境對接卸設備造成不同程度的磨損。在此環境下，本文認為，礦山機械可以更好地適應礦山環境，提高礦山開采、碎石處理效果，為礦產事業的發展提供保證。

2 仿真實驗

由于在實際條件下，還原一個真實的礦山機械設計工程量巨大，耗時耗力。因此，本文通過仿真實驗的設計，以1：1 的形式搭建出仿真平臺，還原出礦山機械設計過程，使其具有通用性與獨立性，保證實驗的真實有效性，具體實驗過程及結果如下所示。

2.1 實驗過程

由于本次實驗在仿真平臺中進行，在仿真平臺中的元素對象需要與實際對象一一對應，仿真平臺中的元素對象與實體對應關系如下表2 所示。

表2 仿真平臺中的元素對象與實體對應關系

如表2所示，將Conveyor、Queue、Processor、Rack、Transporter、Crane、BasicFR等仿真元素，按照傳送帶、物料存儲、裝配線工位、庫存、叉車、吊車、工具等實體對象的排列順序連接，進行一次工作，得出各工位之間的時間參數如下表3所示。

表3 各工位之間的時間參數

如表3 所示，本文分別選取SVCM1 ～6 的6 個工位作為標準，為了滿足預置時間參數的需求，本文將礦山機械的各部件處理時間縮短，保證在預置時間內，完成機械設計。

2.2 實驗結果

本文通過統計實體數據，得出仿真效果數據，將仿真時間設定為9h，本文設計的方法在仿真平臺運行32400s，在此條件下，將傳統方法與本文設計的方法作對比，結果如下表4 所示。

表4 應用結果

如表4 所示，根據上文中maxE 的計算公式，本文計算出兩種方法的礦山機械生產率，傳統方法中生產率在90%以下，最低生產率僅為81.22%，最高的生產率也沒有超過90%，很難適應礦山的開采環境；而本文設計的方法在工位號1、3、5 中，均可達到100%的生產率，其余生產率也在99%以上，可以適應礦山開采環境，符合本次研究目的。

3 結語

近年來，現代設計技術面向市場與大眾的特點，使機械設計逐漸趨向于應用現代設計技術，隨著經驗的積累，現代設計技術與科技技術相融合，利用相關科學原理，可以使機械設計產生質的飛躍。因此，本文對現代設計技術在礦山機械設計中的應用效果進行分析，得出現代設計技術的應用效果極佳的結論，為礦山機械的設計提供理論基礎。