邱前進

摘 要：分析現(xiàn)代礦山機械設備的設計方法，明確礦山機械設備設計的重要性和必要性，介紹現(xiàn)代設計方法在礦山機械設備設計中的運用，并提出了在礦山機械設備設計中應該注意的幾個問題，以期對提高礦山生產效率、提高開采質量起到一定的作用。

關鍵詞：現(xiàn)代設計方法;礦山機械設備;設計應用

中圖分類號：TD402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）09-0049-03

0 引言

隨著經濟、社會的迅速發(fā)展和科學技術的進步，各行業(yè)間的競爭日益激烈，市場對礦產品的需求與日俱增。同時，對礦產資源生產所需要的機械設備精度要求也日益提高，而先進、高效的現(xiàn)代設計手段在礦山機械設計中的地位日益凸顯。在這種背景下，需要從現(xiàn)代設計的相關理論入手，分析討論加強礦山機械設計方法的必要性，進一步分析諸如CAD技術、有限元法等現(xiàn)代設計方法在礦山機械設計中的應用，從而提高機械設計的質量，使礦井機械的設計效率得到改善和優(yōu)化。

1 礦山機械設備設計發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

從20世紀80年代起，我國礦山機械設備的設計就已經在不斷地引入國外的先進技術，而歐美等發(fā)達國家的礦山機械研發(fā)與設備設計也紛紛引入國內，對我國的礦井機械產生了深刻的影響。在我國的工業(yè)發(fā)展速度越來越快的今天，相關部門越來越重視礦業(yè)的發(fā)展，在機械設計、機械制造等方面的投資上，已經實現(xiàn)了機械制圖、零件結構設計等方面的創(chuàng)新，一些城市的礦山機械也在不斷的發(fā)展，比如國內的一些礦山機械，已經完成了冷熱工藝的改造，并設立了研究和試驗基地。由于國內某些地方礦山設備存在著嚴重的產能過?，F(xiàn)象，許多企業(yè)將目光轉向國外，從而導致了礦山機械的出口增長[1]。礦山機械設備工作流程圖如圖1所示。

過去一段時間里工業(yè)化的發(fā)展使礦井機械設備的設計進入了黃金時期，而近幾年，由于新能源在人類的生產和工作中占有很大的比重，礦井機械發(fā)展的黃金時代已經過去，設備的設計也呈現(xiàn)出衰退的趨勢。雖然我國的能源消費仍以傳統(tǒng)能源為主，但對礦山機械的設計需求卻在逐步放緩。全球金融危機對我國經濟造成了一定的沖擊，對礦井機械的研究和設計也造成了一定的影響，經濟危機過后，礦井機械的發(fā)展速度開始放緩，這種情況恐怕要持續(xù)到全球經濟復蘇的時候才會好轉。同時隨著經濟的發(fā)展，我國礦產資源也在不斷地減少，礦用機械的需求增長空間也逐步減少。

2 現(xiàn)代設計方法

傳統(tǒng)意義上的設計是設計師根據(jù)平時的工作經驗和所搜集到的資料，采用直接的方法進行機械設計，更多的是依靠設計者的智慧行為。而現(xiàn)代設計改進了這種方法，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品的功能要求的基礎上，設計人員根據(jù)設計理念、設計思維、科學的設計決策等，設計出適合實際生產的設計方案，可以更好地利用設計師的知識和創(chuàng)造力。

現(xiàn)代設計技術是基于對產品功能的理解和對市場發(fā)展的認識，把現(xiàn)代設計理論應用到生產中。隨著社會和經濟的發(fā)展，現(xiàn)代設計技術也隨之發(fā)展，并呈現(xiàn)出如下特點：第一，以計算機技術為核心，對社會的發(fā)展起到了很大的促進作用，尤其是在現(xiàn)代的設計領域;第二，多學科的知識被運用在現(xiàn)代設計技術上，不僅豐富了現(xiàn)代設計的內涵，而且還拓展了現(xiàn)代設計的應用范圍，為設計師提供了新的思路;第三，現(xiàn)代設計方法使傳統(tǒng)的設計方法更加科學、智能化、系統(tǒng)化，使產品的性能符合市場需求[2]。

3 現(xiàn)代設計方法在礦山機械設備設計中的應用

3.1 在礦山機械設備設計中應用綠色設計理念

在當今世界，生態(tài)環(huán)境的保護是一個十分突出的問題，因此綠色設計在當今世界是一個非常重要的概念。綠色設計理念是把知識、信息、科學技術有機地結合起來，最大限度地降低對環(huán)境的污染，從而達到人與自然的協(xié)調發(fā)展。綠色設計在產品整個壽命周期內達到環(huán)保目的，同時不會對外部環(huán)境造成污染，可以實現(xiàn)資源的節(jié)約。因為礦山機械設備使用場合的特殊性，工作環(huán)節(jié)十分眾多，礦山機械設備設計流程如圖2所示。必須確保其性能和安全性，而綠色設計理念在礦山機械設備設計上的應用也可以提升其環(huán)保效益。

3.2 在礦山機械設備設計中應用優(yōu)化設計

優(yōu)化設計是目前機械設計中普遍采用的一種設計方式，其最大的特點是可以從整個機械設計的角度，對各種機械的結構、參數(shù)、功率、重量等進行優(yōu)化，使其在不影響整個結構的情況下提高設備工作效率。以 BHPIronOre公司的礦石車升級項目為例，其2200臺礦石車需要升級，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，針對礦車的使用特點，對舊車的問題進行了針對性的研究，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一致性，極大地減少了人力資源的培訓和維修系統(tǒng)的改造，既能滿足生產企業(yè)的生產需求，也能節(jié)省礦山機械的采購成本。

3.3 應用有限元法加強礦山機械設備的改進

由于礦山機械設備在開采過程中的受力狀況比較復雜，其工作狀態(tài)下的受力分析與計算都很困難，所以一般都是利用有限元方法來進行礦山機械設備的優(yōu)化設計。有限元設計是一種非常有效的工程力學分析手段，它能對復雜的幾何形狀、不規(guī)則的邊界和不均勻的應力進行分析，并能處理復雜的機械結構的材料、幾何非線性等復雜問題。由于礦井機械結構的復雜性，采用有限元方法進行礦井機械的設計具有很好的適用性。比如，挖掘類礦山機械設備結構的計算和載荷的計算比較復雜，傳統(tǒng)的設計方法多采用簡單的方法，并對一些危險性比較大的部分進行計算和校核，以確保機械設計的精確度和可靠性。在簡化計算時，設計者難以確保計算的精度和風險斷面的復驗精度，為此需要加強有限元方法的運用，利用計算機技術精確地確定礦山機械設備的應力分布，找到其弱點，并根據(jù)實際情況和薄弱環(huán)節(jié)，制定科學、高效的改進方案，以提高設備的質量和工作效率[3]，現(xiàn)代礦山機械設備概覽如圖3所示。

3.4 在礦山機械設備設計中應用CAD技術

CAD技術是礦山機械設計中應用最廣泛的一項技術，它是指設計人員運用計算機技術的軟硬件進行設計。在實際應用中包括設計分析、工程分析、繪圖文檔、編制文檔等內容。加強 CAD技術在礦山機械設計中的應用，不僅可以實現(xiàn)設計集成與模塊化，而且還可以利用 CAPP系統(tǒng)對設計過程進行合理的規(guī)劃，并將計算機中的產品模型引入NC程序，尤其是在NC機床上，可以直接把加工代碼錄入到NC程序中。

3.5 在礦山機械設備設計中應用人機工程設計技術

由于礦山的作業(yè)環(huán)境比較惡劣，在礦產品的開采過程中往往存在著極大的風險，而且開采的機器設備工作條件十分苛刻，工人們要把注意力放在相應的設備操作上，全神貫注地進行機械作業(yè)，盡量減少因操作不當引起的安全事故，因為在礦產品開采過程中即使是一個小小的失誤也會造成嚴重的安全隱患。

人機工程技術是指在充分考慮礦山機械設備作業(yè)環(huán)境的前提下，滿足人們的使用習慣，提高工人的工作舒適性，降低作業(yè)人員的操作錯誤，以確保作業(yè)人員的生命安全，提高設備的安全性和有效性，為礦山的安全生產奠定良好的基礎。在礦山機械設備設計中采用人機工程學，使礦山機械設備的設計更適合于人類的生理和心理習慣，更能提高工人的工作舒適性，降低工人的勞動強度，使礦井機械的生產安全得到有效提高。隨著經濟社會的迅速發(fā)展，在礦山機械設備設計中運用人機工程學的可能性大大提高，逐漸引起相關工作人員的高度重視。

3.6 在礦山機械設備設計中應用可靠性設計

礦山機械設備的可靠性是衡量其產品設計質量的一個重要指標。礦山機械的工作環(huán)境十分惡劣，在復雜的工作環(huán)境中，礦山機械設備的工作質量和工作效率將直接影響到礦井的正常生產，所以可靠性設計是礦山機械設計工作中不可或缺的一項重要內容。同時為了保證機器的壽命，必須要從穩(wěn)健性設計技術的角度來考慮。

在礦山機械設備的設計中，采用科學、高效的方法進行可靠性檢測，以確保在不同環(huán)境、不同荷載情況下，設備都能夠高效地進行作業(yè)[4]。而檢測過程中，設計者常常要進行大量的科學試驗，通過對試驗現(xiàn)象進行細致的分析、統(tǒng)計、整理、分析，盡量改善機械設備的缺陷，保證設備的安全、可靠，從而保證設備的安全、高效運行?？煽啃栽O計可以通過控制系統(tǒng)的非線性來進行，通過合理的控制，以達到最優(yōu)的設計目的，并將其性能結合起來，解決各種干擾問題，提高產品的質量。

3.7 在礦山機械設備設計中應用創(chuàng)新設計

創(chuàng)新設計就是通過對需求的預測，利用現(xiàn)有的理論和技術建立一個全新的產品。從功能上講，就是要對原有的產品進行改造，提高產品的整體競爭力。隨著時代的飛速發(fā)展，技術和產品也在不斷地更新，因此必須明確地意識到礦山機械設備更新?lián)Q代的重要性，并設計出自動化、智能化的機器，以滿足礦山生產的需要。

4 現(xiàn)代設計方法在礦山機械設計中應用的必要性

隨著社會和經濟的不斷發(fā)展以及采礦行業(yè)技術的發(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)展對礦山機械的設計提出了更高的要求，因此礦山機械的設計工作更應突破傳統(tǒng)的設計思想和方法，根據(jù)煤礦企業(yè)的生存與發(fā)展需要，積極引進現(xiàn)代機械設計的先進方法和理念，使礦山機械的技術特點能夠更多地滿足礦藏開采企業(yè)和社會經濟發(fā)展的要求。

5 結語

前述中提到的現(xiàn)代設計方法較符合礦山機械的特性與設計需求，在礦山機械設計中得到了良好的應用效果，未來需要將越來越多地將現(xiàn)代設計思想和方法運用到礦井機械的設計中，使礦山機械的設計方法更加科學化、先進。今后，礦山機械設計將成為高科技產品的重點發(fā)展方向，廣大的設計者要與時俱進，不斷地學習新的知識，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)絡化等技術相融合，堅持以可靠為基礎，以創(chuàng)新為基礎，充分利用信息資源，設計開發(fā)出具有市場競爭能力和擁有自主知識產權的優(yōu)良礦山機械產品。

參考文獻

[1] 李周軍，王秀峰.自動化控制技術在礦山機械設備設計與制造中的應用探討[J].中國機械，2019（3）：41-42.

[2] 莊松巖.自動化控制在礦山機械設備設計與制造中的應用探討[J].世界有色金屬，2018（16）：42，44.

[3] 金國，吳瓊.基于現(xiàn)代工業(yè)設計理念的農機產品設計[J].藝術探索，2010，24（1）：117-118.

[4] 李海峰.機電技術在機械設計制造中的應用研究——評《機電設備與機械電子制造》[J].鑄造，2021，70（4）：514-514.