设计方法在矿山机械设计的应用

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【摘要】现代设计方法在经历多年的发展之后，逐渐形成完善的设计理论体系，将其应用于矿山机械设计中，有助于矿山开采效率与质量的提升。基于此，笔者从现代设计方法的特点与优势入手，对其在矿山机械设计中的应用进行了分析，主要介绍了优化设计方法、可靠性设计方法、计算机辅助设计方法、环保设计方法以及有限元设计方法的应用，以期为设计人员进行矿山机械设计提供帮助。

【关键词】现代设计方法；矿山机械设计；有限元设计

在矿山开采活动中，矿山机械发挥着重要作用，其设计质量与矿山开采活动的顺利开展息息相关。就我国目前的矿山机械设计而言，存在较为严重的思想僵化以及思想单一等问题，根本不能适用于现代化发展下的矿产开采需求，矿山机械设计理念的创新成为必然。设计人员需要将先进方法与现念应用于矿山机械设计中，提高矿山机械设计的水平，使其满足矿山开采的需求。

1现代设计方法分析

随着社会经济的不断发展，矿山开采技术也有了很大的进步，使得我国大部分矿产资源都能得到开发。与此同时，我国推行可持续发展之后，矿山企业的开采活动呈现出环保与生态化趋势。因此，为了使矿山企业的开采活动满足上述发展趋势，需要矿山机械设计进行改革创新，打破传统的设计观念，应用现代设计方法，提高矿山机械设计的针对性与有效性，保障矿山开采活动的可持续发展。具体而言，现代设计方法具有如下特点：首先，将计算机技术作为核心。随着社会的发展，计算机技术的应用越来越广泛，在很大程度上提高了社会生产能力，促进了很多行业的发展。在现代设计中，机械设计中计算机技术的应用最为普遍。矿山机械设计中计算机技术的应用，有效实现了手动到自动化的转变，使产品设计从二维发展为三维，有效提升了矿山机械设计的水平。在矿山机械设计中，基于计算机技术的设计方法有二次开发方法、模态分析方法和有限元分析方法等，这几种设计方法使矿山机械设计更为灵活，实现了矿山机械设备设计和制造的一体化。另外，计算机技术还支持数据库的建立，使现代设计技术的延展性有较大的提升，为以后的矿山机械设计提供了可靠的参考依据。由此可以看出，现代设计方法在矿山机械设计的发展中，发挥着良好的促进作用。然后，将设计理论作为指导。传统的矿山机械设计都是根据设计人员的实践和经验进行的，通过设计人员的经验积累完善机械设计的各个流程。但是随着矿山机械的自动化发展，根据经验设计而成的矿山机械不能满足矿山开采活动的需求。因此，设计人员需要将设计理论作为指导，进行矿产机械设计的创新，在以往经验的基础上，结合现代技术，实现矿山机械设计的现代化与智能化[1]。

2现代设计方法在矿山机械设计中的应用

2.1优化设计方法的应用。在矿山机械设计中，优化设计方法是应用最为广泛的现代设计方法，该方法可以从矿山机械设计的整体角度出发，对矿山机械设备的进行全面的优化，优化的范围涵盖到机械设备的零部件、整体结构、相关参数、设备重量以及比功率等多个方面。与此同时，优化设计方法是在不改变矿山机械设备原有结构的基础上，尽最大努力提高矿山机械设备的运行效率。一般来说，矿山机械的优化设计方法主要是通过软件进行数学模型构建，数学优化方法与计算机技术，实现矿山机械的优化。常用的软件包括3D开发引擎、EONStudio以及VC+++等。比如，BHPIronOre公司在开展的矿石车的更新计划，BHPIronOre公司一共有2200两矿石车参与该计划，如果设计人员仅是单纯地进行车辆的更新，会花费大量的资金。BHPIronOre公司为了节约设计成本，选择和LynxEngineering进行合作，两家公司共同应用优化设计方法，有针对性地进行矿石车的更新，首先对原本车型进行故障分析，优化设计了一种全新的矿石车，有效提高了矿石车的燃烧效率与使用寿命，为BHPIronOre公司节约了大量的成本。2.2可靠性设计方法的应用。一般情况下，矿山开采的环境都比较恶劣，在这种环境下，矿山机械设备的工作效率会对矿山开采工程造成直接的影响。因此，在进行矿山机械设计时，设计人员需要应用可靠性设计方法，提高矿山机械的适用性，避免矿山机械设备受到环境的影响。在应用可靠性设计方法时，设计人员需要全面考虑矿山机械的结构尺寸、荷载参数以及强度参数等内容，在保障矿山机械设备功能的基础上，提高矿山机械的可靠性，为矿山开采人员提供安全保障。比如，在进行矿井提升机的设计时，基于可靠性设计方法，设计人员需要对矿井提升机中的钢丝绳进行安全洗漱的评估，采用科学合理的设计方案提高钢丝绳的可靠性。2.3计算机辅助设计方法的应用。在矿山机械设计中，应用最为广泛的计算机辅助设计方法是CAD技术。在CAD技术的应用工程中，包括分析、绘制与文档制作等多个环节，能够实现矿山机械设计的一体化以及模块化。与此同时，CAD技术还能够与CAPP系统规划工艺相结合，在NC编程的过程中，将矿山机械设计方案直接导入到计算机中，也就是讲加工代码直接输送给NV机床加工中心，在很大程度上提高了矿山机械设计的效率，有助于设计和制造的有效衔接。具体的机械设计CAD图纸如图1所示。随着计算机技术的不断发展，计算机辅助技术在矿山机械设计方面的应用呈现出显著的智能化趋势，设计人员可以引用计算机辅助技术以及自动化技术，进行智能机械系统的研发，能够实现动作控制以及信息采集，可以应用于多种环境中，在环境恶劣的矿山开采工作中，可以提高矿山机械的工作效率，有助于矿山机械的可持续发展[2]。2.4环保设计方法的应用。在现代设计方法中，环保设计方法是一种全新的方法，主要是为了响应国家节能环保的号召提出的一种设计方法。基于环保设计方法，设计人员需要将环保知识与机械设计相融合，树立环保理念，设计环保矿山机械设备。一般来说，环保设计方法主要会应用到数据管理技术、建模技术和评价技术，这三种现代技术可以有效实现机械设备的环保性。为了贯彻落实节能环保观念，工作人员需要将环保理念贯穿于矿山机械的生命全过程，从矿山机械的设计开始、到矿山机械的生产应用、直到矿山机械的报废回收，都需要注重节能环保。这样不仅可以提高矿山企业的经济效益，还能够降低设备的能源损耗。在应用环保设计方法进行矿山机械的设计时，设计人员需要进行环保设计的评价，应用多种评价指标保障矿山机械的环保性。具体的评价指标如图2所示。2.5有限元设计方法的应用。在矿山机械设计中，有限元设计方法的可以进行矿山机械的全面分析，能够用于几何形状较为复杂，厚度差距较大或者边界不规则对象的受力分析，还可以解决多种复杂矿山机械中存在的几何非线性或者材料非线性等问题。由此可以看出，有限元设计方法可以应用于矿山机械中复杂部件的设计。比如，在进行挖掘机的动臂设计时，传统的设计方法是将动臂看做是承受变形与弯曲的受力结构，按照这种受力结构进行设计分析时，会将动臂的应力分析集中于危险节点中，并不能全面进行动臂各个受力钢结构的受力分析。有限元设计方法可以实现动臂与斗杆的全方位应力分析，SAP5程序可以在动臂与斗杆的最大受力状态时，进行应力计算，了解每一个受力钢结构的应力分布状况，从而提高动臂的质量[3]。另外，有研究学者在破碎机的设计过程中应用了有限元设计方法，对转子前6阶固有频率和振型进行了分析（分析结果如表1所示），根据分析的结果明确破碎机电动机的转轴的转速为600r/min，为破碎机的稳定运行奠定了良好的基础。

3结论

综上所述，现代设计方法可以提高机械设计的有效性，实现设计与制造的一体化，需要进行进一步的推广应用。通过本文的分析可知，设计人员需要认识到现代设计方法的优势，掌握并应用多种现代设计方法进行矿山机械设计，提高矿山机械设备的适用性、可靠性与环保性，为矿山开采活动的顺利进行奠定良好的基础，促进矿山企业的可持续发展。本文的分析仍旧存在不足之处，仅供参考。

参考文献

[1]李文越，胡俊.现代设计理论和方法在冶金机械设计中的应用[J].低碳世界，2016（33）：252~253.

[2]朱艳敏.浅谈现代设计技术方法在矿山机械设计中应用[J].科技创新与应用，2014（33）：295.

[3]高焕，刘潇骁.分析现代设计理论和方法在煤矿机械设计中的应用[J].煤炭技术，2013，32（05）：32~33.

作者:曹逸云 单位:湘电重型装备有限公司车辆研究所