張久洋

摘 要：本文簡述國內(nèi)外挖掘機(jī)械技術(shù)差距，提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)施研發(fā)需要的技術(shù)手段和研發(fā)技。

關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)械技術(shù);研發(fā)技術(shù);技術(shù)手段

引言

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國，創(chuàng)新已成為一個(gè)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長模式的熱點(diǎn)話題。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，創(chuàng)新被稱之為地地道道的“待著鐐銬的舞蹈”，它是聯(lián)系圖形、概念、和工程的紐帶，必然要求工業(yè)設(shè)計(jì)師必須非常熟悉設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)表現(xiàn)、機(jī)器生產(chǎn)等等單個(gè)領(lǐng)域以及內(nèi)在的相互聯(lián)系，在整個(gè)系統(tǒng)中尋找突破點(diǎn)。

我國是一個(gè)以煤炭為主要能源的國家，國家經(jīng)濟(jì)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(chǎn)已成為我國現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)的主要模式。這種模式需要的依靠高效、可靠、自動(dòng)化采掘和輸送的技術(shù)和設(shè)備來保障。推廣和發(fā)展這種生產(chǎn)模式依靠先進(jìn)可靠的采掘設(shè)備。

經(jīng)過多年來年我國開采技術(shù)以及設(shè)備的研究和開發(fā)，現(xiàn)在基本上滿足了我國煤炭機(jī)械化開采的要求。但是與國外煤炭開采設(shè)備技術(shù)水平相比，國產(chǎn)設(shè)備在總體水平和能力上還有距離，其中的主要表現(xiàn)在于設(shè)備的可靠性和自動(dòng)化程度上。目前國內(nèi)集約化生產(chǎn)的工作面主要依靠進(jìn)口設(shè)備。

一、國內(nèi)外采掘機(jī)械產(chǎn)品的差距分析

根據(jù)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(shù)取得前所未有的新進(jìn)展，主要體現(xiàn)在：高效綜采裝備的研制開發(fā)取得新的技術(shù)突破，綜采工作面生產(chǎn)能力大幅度提高（突破年產(chǎn)1000萬噸），出現(xiàn)了“一礦一面”年產(chǎn)數(shù)百萬噸煤炭的高產(chǎn)高效和集約化生產(chǎn)模式。鑒于我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)和當(dāng)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(shù)重要的競爭領(lǐng)域。

二十世紀(jì)末期以來，高新技術(shù)不斷向傳統(tǒng)采礦領(lǐng)域滲透，美、澳、英、德等國家采用了大功率可控傳動(dòng)、微機(jī)工況監(jiān)測監(jiān)控、自動(dòng)化控制、機(jī)電- -體化設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)適應(yīng)不同煤層條件的高效綜采大型設(shè)備。新型綜采設(shè)備在傳動(dòng)功率、設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力大幅度增加的同時(shí)，設(shè)備功能內(nèi)涵發(fā)生重大突破，并實(shí)現(xiàn)了綜采生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制。綜采成套設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到3000t/h以上，在適宜的煤層條件下，采煤工作面可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)800～1000萬噸，礦井的年產(chǎn)可突破1000萬噸。我國經(jīng)歷了四十多年的綜采機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)綜采設(shè)備科研設(shè)計(jì)和制造企業(yè)已研制開發(fā)出具有較先進(jìn)技術(shù)水平的大功率電牽引采煤機(jī)等裝備，生產(chǎn)能力達(dá)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(shí)現(xiàn)年產(chǎn)3～4Mt。我國綜采設(shè)備設(shè)計(jì)制造、檢測雖已有一定基礎(chǔ)，但限于目前研究設(shè)計(jì)、制造水平和國內(nèi)高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)材料供應(yīng)等基礎(chǔ)條件，即使是近年來新研制開發(fā)的綜采設(shè)備在技術(shù)性能、工作可靠性和使用壽命方面仍和國際先進(jìn)水平有明顯差距。

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

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段較落后，在產(chǎn)品性能的工程分析計(jì)算上研究較少，缺乏系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能的驗(yàn)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(shè)備，工作中沖擊載荷大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性和壽命，現(xiàn)場使用中，往往是那里損壞補(bǔ)那里，可靠性和壽命始終達(dá)不到要求。

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

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

礦山采掘機(jī)械以及地下工程掘進(jìn)機(jī)械，是能源、礦產(chǎn)及城市建設(shè)的重大工業(yè)技術(shù)裝備，本課題的研究目的是提高我國這類工業(yè)裝備的設(shè)計(jì)制造水平，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成應(yīng)用原型系統(tǒng)。

二、研發(fā)高可靠采掘機(jī)械產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)

研發(fā)高可靠性采掘裝備是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、材料研究、制造工藝、電氣自動(dòng)化、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)信息等多學(xué)科。

研發(fā)高可靠性采掘裝備所需要研發(fā)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是：

（一）煤及巖切割過程的接觸分析與采掘機(jī)械工作載荷確定

長期以來，我國采掘機(jī)械的截割工作機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型一直引用前蘇聯(lián)總結(jié)的實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算公式，而采掘機(jī)械的截齒結(jié)構(gòu)和功能已有較大的發(fā)展，利用基于的現(xiàn)有截割理論進(jìn)行采掘機(jī)械的工況描述和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，存在了很多不足。因此，需要借助CAE方法，進(jìn)行截齒對(duì)煤巖破碎機(jī)理分析。

（二）采掘機(jī)械整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

采掘機(jī)械的失效破壞大多數(shù)是由于局部構(gòu)件的破壞而引起，這種局部破壞的延展將導(dǎo)致采掘機(jī)械的整體結(jié)構(gòu)破壞，而且動(dòng)力載荷在其中起到關(guān)鍵作用。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)的分析需要解決的問題是：根據(jù)經(jīng)典力學(xué)分析原理，建立采掘機(jī)械整機(jī)受力的數(shù)學(xué)模型，采用三維模型設(shè)計(jì)平臺(tái)建立采煤機(jī)的三維數(shù)字模型。同時(shí)收集和應(yīng)用前人的研究成果，采用力學(xué)解析法建立基于數(shù)據(jù)庫的較完整的采煤機(jī)整機(jī)負(fù)荷計(jì)算系統(tǒng)，并采用有限元法對(duì)采煤機(jī)整機(jī)受力分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證。

分析采掘工作狀況下的滾筒在正常切割和斜切進(jìn)刀時(shí)動(dòng)載特性分析技術(shù);在正常切割煤層中含夾矸條件下的滾筒動(dòng)載特性分析技術(shù);確定采掘機(jī)械整體結(jié)構(gòu)的自振特性;基于參數(shù)化外載（滾筒載荷）下的采掘機(jī)械動(dòng)力響應(yīng)特性分析技術(shù);

（三）采掘機(jī)械的強(qiáng)度和疲勞分析與優(yōu)化

采掘機(jī)械由于其長期工作在外載多變的復(fù)雜環(huán)境，據(jù)澳大利亞某大學(xué)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)故障近70%發(fā)生在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)上，其強(qiáng)度和疲勞壽命問題-直成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為關(guān)心的問題之一， 有效地對(duì)采掘機(jī)械進(jìn)行強(qiáng)度與疲勞壽命的分析與優(yōu)化，對(duì)提高產(chǎn)品可靠性具有十分重要的意義。

（四）采掘機(jī)械的可靠性系統(tǒng)分析技術(shù)

研究采掘機(jī)械在工作載荷作用下的失效機(jī)理分析和主要失效模式;對(duì)于不能定量描述可靠性的失效模式，通過靜動(dòng)力分析模擬，確認(rèn)故障原因，采用定量分析的手段加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，以提高產(chǎn)品的可靠性;研究建立以產(chǎn)品成本（生產(chǎn)、使用、維護(hù)成本）和可靠度為目標(biāo)和約束的采掘機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

三、結(jié)論

在我們高速發(fā)展的今天，高效集約化生產(chǎn)依靠高效的采掘機(jī)械裝備，采掘機(jī)械裝備的可靠性是一個(gè)系統(tǒng)工程問題，它涉及到多方面的學(xué)科研究，需要解決采掘機(jī)械中的截齒破煤機(jī)理和特性研究、采掘機(jī)械整體力學(xué)特性研究、關(guān)鍵部件的強(qiáng)度和疲勞壽命分析研究、采掘機(jī)械整體可靠性系統(tǒng)研究、采掘機(jī)械數(shù)字樣機(jī)性能評(píng)價(jià)研究等等，而這些分析研究需要依靠現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段來開發(fā)來解決。

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