现代设计技术在矿山机械设计的应用

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摘要：我国有十分丰富的矿产资源，而矿产资源的开采需要大量的机械设备，和传统的矿山生产设备相比，现代化机械设备本身具备较强的性能，能够提供多元化的井下作业服务。文章以矿山机械设备作为主要分析对象，以理论分析法及技术分析法为主要方式，结合现代设计技术在机械设备设计和管理中的实际应用展开分析。矿山机械设备需要应对较复杂的井下作业环境，其结构、系统、性能与井下作业的质量有直接关联，现代设计技术可以为矿山机械设备赋能，可以实现结构优化、性能提升、系统升级。

关键词：现代设计技术；矿山机械；智慧矿山；结构设计；有限元分析；结构模糊优化技术；动力优化

1矿山机械设计中现代设计技术的应用背景

现代设计技术主要以新时期的数字化技术、计算机技术，以及新型机械结构分析等理论为基础，综合不同领域的生产需求打造具有针对性的设计方法。和传统的设计方法相比，现代设计技术具有较强的自动化特点及智能化优势，往往依托现代工程理论及逻辑分析理论，是大量学科知识整合之后的核心成果。现代设计技术能够为我国生产行业的发展提供更加先进的技术保障，在增强产品质量和效益的同时，也可以更好地为社会发展服务[1]。矿山开采是我国能源行业发展的主要工程，而矿山开采行业面临的环境较为恶劣，井下复杂的环境极有可能导致设备损坏，需要设备具备较强的功能，可以应对复杂的作业环境。在矿山机械设备设计中，必须确保结构具备合理性、可靠性、智能性、灵活性。矿山机械设备必须具备良好的结构，符合地下生产作业需求；需要及时进行机械设备的性能优化，提升设备应用效率，确保系统具备拓展性和可升级空间。

2应用于机械结构优化的现代设计技术

2.1可靠性概率设计

可靠性概率主要应用在工业生产中，是一种全面提升系统结构稳定性及可靠性的现代化设计理念，将其引入矿山机械结构设计具备可行性。具体而言，在矿山机械设备原有结构的基础上，确保在规定时间内能够完成预定功能的概率，就是可靠性概率。这是衡量机械设备应用可行性的核心指标，可以直接通过一次二阶矩概率设计理论来完成设计，可靠性概率能够全面提升机械设备结构的安全度，同时增强结构合理性[2]。

2.2结构模糊优化技术

井下作业环境较复杂，在进行机械设备设计的过程中，有部分细节较模糊，如以目标函数、约束条件为基础进行的结构设计，本身具有较强的模糊性，需要通过反复的验证和调整才可以增强设计的精准性。因此针对不同的工况需要利用结构模糊优化技术进行设计，主要目的是，选择不同设计方案得出的最优值，通过系统对比及工况分析来确定最终的实际参数及结构性能。如在尺寸和形状的最后调整中，可以直接依托模糊理论来解决[3]。2.3CAD设计技术CAD设计渠道是当前机械设备结构设计的核心渠道，利用计算机作为主要的辅助软件，不仅能够快速地分析初始方案及改进方案之间的差异性，进行结构分析及强校核，还可以通过单位目标优化的方式，对整体设备的材料应用量、结构强度、结构，性能进行模拟分析。例如，在当前的矿山开采领域已经有了用于微型机的大型多功能mas程序系统，能够直接在前期结构设计中将相关参数导入CAD软件，可以提供合理的结构设计方案，节省材料及成本；能够全面提升最终机械成本的设计水平；可以有效定位机械设计过程中出现结构损坏的原因及有害影响因素，也可以对机器系统进行多目标的优化设计。可以依托结构静动分析、结构静动优化、计算机绘图等技术，完善机械结构各项细节，CAD设计渠道主要应用于矿山机械设备的多单元结构设计，如杆、梁、板、壳等的设计[4]。

3应用于机械性能优化的现代设计技术

3.1有限元分析技术

有限元分析技术是应用于机械设备性能优化的核心方法，最初应用于工程分析领域，可以直接分析几何复杂、边界不规则等受力对象，也可以分析机械设备所用材料的非线性、几何非线性复杂问题。该技术主要用于矿山机械设备的受力分析领域，如电动挖掘机的动臂和斗杆。由于动臂和斗杆的结构和受载的复杂性，在传统设计过程中，通常采取工程计算法，但是这种方式较复杂且精准性不高。当前已有学者通过有限元分析技术对动臂和斗杆进行应力分析，用SAP5程序在动臂和斗杆处于最大受力状态时进行计算，最终可以得出机械结构每一块钢板的具体应力分布情况，不仅能够解决受力分析等问题，更可以提升机械整体结构的稳定性[5]。

3.2可靠性设计技术

可靠性设计技术与上文的可靠性概率有本质上的区别，其针对矿山机械设备的性能可靠性进行优化，需要将重点放在强度、载荷、结构尺寸等参数领域，同时要考虑随机因素对性能产生的影响，这样才可以全面提升矿山机械设备的使用寿命，也可以确保井下作业安全。当前已有学者综合可靠性设计技术对矿井提升机的整体性能进行了优化，并且取得了良好的效果。主要的设计对象是矿井提升钢丝绳的安全系数，针对其安全系数进行全方位评估，并且依托可靠性设计技术，对回采工作面单体液压支柱的支护可靠性设计进行了研究，不仅增强了矿井提升机的整体性能，更为安全作业奠定了良好的基础[6]。

3.3动态模拟设计技术

矿井机械设备需要在复杂的环境中运作，在这个过程中涉及大量信号的接收及传递，同时需要和整体智慧矿井系统进行对接，信息的传递及指令的下达需要通过前期的动态模拟进行试验，这样才可以确保设备跟随整体系统正常运转。目前，我国在大型矿井采掘机械动态模拟设计方面的系统研究还很少，致使大型采掘机械新机型的设计和老机型的结构改进举步维艰。但是已经有部分系统可以利用动态模拟设计技术进行优化，如矿井提升容器在进入楔形箱道、紧急制动和切换电阻启动等工作状态下的外载荷与时间的关系问题，可以通过动态模拟设计技术来解决。

3.4摩擦学设计技术

井下作业内容较复杂，涉及既有煤矿的井下井上运输，也涉及人员及相关资源的传递，其中的传送设备性能是多方关注的重点。分析传送设备性能，需要重点关注接触、滚动、滑动时的摩擦、磨损与润滑。由于井下作业环境较恶劣，大部分的传输设备在长时间运作过程中会产生较严重的摩擦及损耗，如钢丝绳、减速器、提升机、刮板运输机和综采机等。以摩擦学为基础打造的摩擦学设计技术主要将重点放在了提升传输设备稳定性方面。我国早在20世纪80年代末期已经开展了摩擦学设计理论与应用的相关研究，并且针对矿山掘进机主减速器的摩擦学进行了分析，研发出了煤矿电机车车轮的增摩延寿材料，在投入使用之后，能够有效提升设备的运行寿命。

4应用于机械系统优化的现代设计技术

4.1智能化技术

优化矿山机械设备系统的主要目的是确保设备自身的系统和整体智慧矿山的运维系统相关联，及时地进行自主优化及智能化监督。智能化技术是现代设计技术中的重要组成部分，也是全面提升矿山机械设备系统质量的主要技术。智能化技术立足智能传感器及信息接收设备，打造集成的传感网络，通过控制器和执行器，能够结合井下运行环境进行全方位的自适应检测及损伤自愈和操作，本身具备一定的生命特征。智能化技术也是新时期矿山机械设计领域最受欢迎的技术，是实现智能采矿及构建自动化系统平台的主要依据。如依托机器人技术及红外技术，能够实现矿井的安全生产监管及紧急救灾。智能化的矿山系统可以依托终端设备及安装于机械设备的智能传感器，打造多元化的传输网络，实现远程设备遥控及指挥。例如，某矿山打造了一种智能化矿山系统，实现从采矿点到货运车站、端到端的矿山机械无人化智能管理，其具体的结构如图1所示。该系统中的无人矿山管控中心对无人矿山全面实时监控与综合调度。无人矿卡运输平台接收来自无人矿山管控中心发来的指令，控制无人矿卡以指令规定的速度按照目标路线运行，并根据搭载在无人矿卡上的传感器发来的信息，实现无人矿卡的自动行驶，完成装载、运输、卸载的循环操作。

4.2并行设计技术

并行设计技术是以计算机及通信技术为核心的现代设计技术，主要应用在矿山机械设备的设计、制造、支持过程，能够打造并联的一体化设计方案。当前，绝大部分煤矿设备都安装了故障监测系统，这些故障监测系统是后续进行加装的，和原设备之间往往存在着部分不协调的细节，而并行设计技术可以通过分析各种类型、参数的煤矿机械设备，打造具有针对性的故障监测系统及监测方案，确保不同设备有交互路径，全面提升不同设备之间的适配程度，也可以为矿山机械设备的安全运行奠定良好基础。

4.3虚拟技术

虚拟技术是建立在矿山机械设备前期设计及实验基础上的新型技术。矿山机械设备规模较大，结构较复杂，前期制造成本较高，为了确保设备充分满足井下作业的实际需求，并且与整体的矿山运转系统相对接，还需要通过反复实验来进行检测。若进行常规的实体试验，必然会浪费大量的人力、物力及成本，而虚拟技术可以打造三维立体可视化模型，模拟矿山机械设备运行过程中的变量参数，如可以模拟环境中的噪声、温变、力变、磨损、振动等参数，分析机械设备系统的运行状态；观察不同设备配合运转过程中的运动受力情况，结合实际情况提出修正意见。虚拟技术在矿山机械设备的系统优化及匹配安装中有着极强应用价值，能够提升设备的运转质量。

5矿山机械设计的未来发展方向及设计重点

（1）需要大力推广利用结构优化设计的方式进行矿产机械设备创新的方式。结合我国生产领域的发展现状来看，航空、国防等领域纷纷开展了结构优化设计的学术交流会议，而土建部门也举办了结构优化设计的专门讲座。这也代表结构优化设计是当前工业及相关领域发展的重点。我国能源开采行业的繁荣发展离不开优秀的机械设备，大量的矿山机械设备必须进行结构优化，才可以逐步满足未来的能源开采需求。因此矿山机械设备的设计师及研究人员要注意逐步推广和应用结构优化设计相关的现代设计技术，并且及时地开展相关讲座及培训，并且设定研究课题，这样才可以确保结构优化成为未来发展的主要任务，同时能够提升现代设计技术的应用价值。（2）需要将重点放在机械结构动力优化方面。传统的矿山机械设备的结构优化以静力优化为主，而在未来需要将这种优化逐渐过渡到动力优化。但是不应该完全摒弃传统的设计优势，需要以借鉴优势技术的方法，在结构静力优化的基础上，对矿机结构进行动力优化设入计。传统设计过程中的固有频率、动态响应等特性对于矿山的结构优化有极为重要的作用。动力优化是建立在原有静力优化的基础上打造的新型频率约束体系，包括动强度约束、动刚度约束等。（3）需要打造一体化的结构体系，这样能够全面提升机械设备设计的整体性，避免资源和成本浪费。例如，底盘、车架、机架等结构件的优化程序，需要按照结构的通用性、统一性、组合性原则建立程序包。这有助于系统结构升级及统一整合，更可以改善传统人工设计的各项差异，通过结构包能够实现自动化设计及调整。

6结束语

综上所述，在当前的矿山设备优化和创新的过程中，需要将重点放在现代设计技术和传统设计技术的融合角度，取其精华去其糟粕，进一步提升现代设计技术的应用价值；同时，从矿山机械设备的结构、性能、系统优化方面，合理选择设计技术进行创新，预留具备升级和创新的空间，这样才可以为我国矿山开采领域的发展提供更为完善的技术体系。

作者：辛焕成 单位：本钢冶金渣公司