现代设计技术在矿山机械设计中的应用分析

邵 腾

矿山机械设备类型多，价格相对较高，为了适应矿山环境，矿山机械的体积也会相应增加，内部结构更加复杂，更新换代情况较为少见，导致矿山机械设计逐渐落后。此外，矿山机械的培训方式较为形式化，仅利用教材、PowerPoint 图画等方式，对矿山机械进行片面化培训，使相关技术学员受到各种限制而无法发挥出矿山机械设计的热情。在新晋技术人员不了解矿山机械的结构情况下，只了解其设计原理不能为矿山机械的设计创造有利价值。现如今的矿山企业机械设备较多，但是机械均属于较为落后的状态，零件与结构相对复杂，矿山开采能力较弱，达不到预期的矿山开采效果。此时，机械设计的技术人员如果不能准确识别现有机械的零部件，对矿山开采的效果影响更大。因此，本文结合现代设计技术，应用于矿山机械设计中，为矿山的开采提供优化方案。

1 基于现代设计技术的矿山机械设计方法

1.1 采集矿山机械设备设计信息

在应用现代设计技术的过程中，矿山机械设计信息的采集是重中之重。为了保证矿山机械的设计精准度，本文首先对矿山机械的资料、操作与生产规程、矿山环境等信息进行采集。以上信息是矿山机械设计的基础，缺少设备的基本信息，机械信息的完整性与准确性将会丧失，从而影响矿山的开采效果。需要采集的矿山机械设备信息如下图1 所示。

如图1 所示，本文设计的方法中以采矿机、掘进机、锚杆钻机、各类开关、水泵、变压变频器、绞车、保护输送等装置、运输车辆、风机、提升设备、电气、安全自救装置等信息的采集为主，通过对设备的图纸资料信息的采集，即可确定矿山机械设计方法的主要规程与机械原理。在矿山开采的过程中，需要使用采矿机，并利用掘进机进行开路，保证采矿的流畅性。通过各类开关、水泵、变频器的使用，可以保证矿山机械在实际开采矿物中的应用效果，节省矿山开采时间。绞车可以将开采后的废石料进行收缴，减少碎石料对矿山环境的污染。在每个矿山机械中均会设计出综合保护装置，与输送装置，从而保证矿山机械的安全使用。在此基础上，矿山开采时，每个员工均需要熟记安全自救措施，可以保证施工人员的安全施工效果。本文为了采集的信息更加精准，对矿山环境进行现场采集，得到相关机械结构、说明书等信息，并采用现场录制与拍摄的方式，得到较为清晰的机械结构，将得到的信息记录完整并分类，保证矿山机械的操作者正确与规范性的使用，在录制现场中，矿山机械设备安装流程与注意事项等信息均需要完整的采集，增加矿山机械设计的真实感、交互感，以及融入感，为后期矿山机械的设计提供基础准备工作。一般情况下，矿山机械为大型机械设备，往往不容易运输，如果矿山机械设备设计成较小的体型，将会影响开矿或掘进状态，因此，矿山机械的体型成为矿山机械设计的难题。本文将使用现代设计技术，对矿山机械进行优化，使其更加适应矿山的开采环境。

图1 矿山机械设备设计信息

1.2 基于现代设计技术计算矿山机械设备平衡指标

由于传统设计技术年代久远，各项技术手段更新不完全，导致应用领域逐渐减少，为了改变这一现状，本文应用现代设计技术，面向大众设计的更具经验化的技术。本文以现代设计技术的知识性与经验性为基础，将其所蕴含的知识应用于矿山机械的设计上，通过技术与管理两方面，深入了解矿山机械设备，使矿山机械设备的设计更加符合矿山开采环境。在应用现代设计技术过程中，计算机械平衡指标至关重要，机械设备的平衡问题是生产阶段的关键，在市场需求分析与生产能力分析方面，计算机械平衡指标可以得到最佳生产间隔时间，细化工作站的数量，有利于解决机械设备零部件生产线上的各类问题。为此，本文将矿山机械设备生产过程的平衡问题进行分类，分类结果如下表1 所示。

表1 矿山机械设备生产平衡的分类

如表1 所示，I 类矿山机械生产平衡问题适用于新方法的机械设计阶段，考虑到市场需求，矿山机械的生产能力与机械设备的最佳生产间隔时间有关，生产间隔时间越短，工作站就会相应减少，从而减少矿山机械的前期投入，进而提高矿山机械生产率，由此得出的矿山机械生产平衡指标。

由于机械的不可再生性，工作站中的机械元素生产总时间，经常超过生产间隔时间，导致生产率下降，为此本文对矿山机械平衡指标进行优化。

通过研究得出矿山机械平衡指标，对于提升矿山机械的生产率将会有一个质的飞跃。由于矿山的开采环境较为复杂，矿山机械需要将大块岩石放置于机械内，通过高速运转的机械，将石块进行多次撞击，再将小石块进行碎石处理，即可以将大石块进行破碎与挤压，达成破碎石块的目的。此种机械是矿山中主要使用的机械，可以缩短人工碎石的时间，提高矿山的生产力的发展。本文使用现代设计技术，将传统矿山机械进行优化，考虑到矿山机械的使用功能与机械外观两个方面，本文将机械设备的平衡指标进行计算。在此基础上，本文融合现代设计技术，将矿山机械的外观、结构、性能、材质进行二次优化，摒弃传统矿山机械易损坏的缺点，将现代设计理论进行充分运用，将机械图纸中的点、线、面、尺寸、比例等细节一一优化，保证矿山机械可以更加贴合矿山环境，提升矿山机械的生产效率。

1.3 分析矿山机械设备的布局约束条件

通过矿山机械设备的平衡指标计算，将会优化机械设备的设计布局，本文将进一步设计机械设备布局的约束条件，限制矿山机械设备的适用环境。本文设计的约束条件中，以硬件约束为主，工艺约束为辅，中间穿插一些特性约束。具体约束条件如下图2 所示。

如图2 所示，本文将约束条件细化，分为设计模式约束、机械形状约束、机械尺寸约束、零部件位置约束、机械特性约束、派生约束等。通过以上约束条件，可以将矿山机械的生产率进一步提高，并适应矿山的开采环境，为矿产资源开采提供先决条件。在矿山机械的设计过程中，本文利用现代设计技术，通过约束矿山机械设备的布局，保证机械可以更好的适应矿山环境。所谓现代设计技术，就是利用矿山机械的现代理论，结合科学原理，进行重新构思，设计出更加符合矿山环境的机械。此种设计方式，是以矿山环境为核心，以简单便捷为基础设计而成，在矿山开始的时长环境可以占据一席之地。由于矿山环境复杂，地质环境较差，矿山机械设备往往会出现磨损、毁坏、停机等故障，影响矿山开采过程中的实际使用效果。本文考虑到矿山机械的环境，利用现代设计技术，以设备耐用性为核心，增加矿山机械设备的使用寿命，将容易磨损的区域进行包裹，从而减少磨损故障。并在使用矿山机械的过程中，加入相关监测系统，对机械进行实时监测。此系统中存在使用数据采集模块、使用情况分析模块、状态监测模块、设备维护模块、易损坏警报模块等，通过不同使用数据的采集，可以了解机械的基础状态；在此基础上分析并监测机械使用情况，可以保证机械的安全使用效果；在设备使用过后，该系统会对机械内部使用状况进行监测，并在后台更新机械使用技术，保证矿山机械的后续使用效果；设置易损坏报警模块可以对即将出现的损害状况进行预警，防止机械的过度磨损。

图2 矿山机械设备的布局约束条件

1.4 实现矿山机械的优化设计

现代设计技术是集合创新技术、优势设计、稳健设计、模糊设计、虚拟设计、绿色设计等为一体的技术。其中，机械创新技术是利用新的模式，新的设计理念，将矿山机械设计成性能更佳的设备，并在经济实用的基础上，增强矿山机械质量的方式；再将现代设计技术中的优势进行融合，面向矿山环境进行设计，保证机械设备在矿山中拥有更佳的适应性；稳健设计可以保证矿山机械的稳定运行效果，减少其他因素对矿山机械使用的影响；模糊设计是利用模糊理论，将矿山机械设计成使用寿命更长的机械，通过模糊函数可以解决部分不确定性因素，从而保证矿山机械可以具有定性定量处理矿物的效果；虚拟设计是以虚拟技术为原型，将其融合至矿山机械的设计中，可以对机械进行综合性的评价，借助虚拟技术，可以实现人机交互，从而保证机械使用情况；绿色设计是以保证环境需求的前提下，可以保证周围生产环境状态的设计理念，矿山机械存在设计——使用——回收等三个阶段，在每一个阶段均需要保证“绿色”，考虑到矿山的实际环境，机械需要提升回收率，减少有害物质的使用，既可以避免污染，又可以提高生产质量。因此，通过现代设计技术，可以将矿山机械设计的更加完善。本文使用现代设计技术，首先，对矿山机械设备设计信息进行采集，保证信息采集精度；其次，利用模糊理论与虚拟技术，计算矿山机械设备平衡指标；最后，分析矿山机械设备的布局约束条件，防止矿山环境对接卸设备造成不同程度的磨损。在此环境下，本文认为，矿山机械可以更好地适应矿山环境，提高矿山开采、碎石处理效果，为矿产事业的发展提供保证。

2 仿真实验

由于在实际条件下，还原一个真实的矿山机械设计工程量巨大，耗时耗力。因此，本文通过仿真实验的设计，以1：1 的形式搭建出仿真平台，还原出矿山机械设计过程，使其具有通用性与独立性，保证实验的真实有效性，具体实验过程及结果如下所示。

2.1 实验过程

由于本次实验在仿真平台中进行，在仿真平台中的元素对象需要与实际对象一一对应，仿真平台中的元素对象与实体对应关系如下表2 所示。

表2 仿真平台中的元素对象与实体对应关系

如表2所示，将Conveyor、Queue、Processor、Rack、Transporter、Crane、BasicFR等仿真元素，按照传送带、物料存储、装配线工位、库存、叉车、吊车、工具等实体对象的排列顺序连接，进行一次工作，得出各工位之间的时间参数如下表3所示。

表3 各工位之间的时间参数

如表3 所示，本文分别选取SVCM1 ～6 的6 个工位作为标准，为了满足预置时间参数的需求，本文将矿山机械的各部件处理时间缩短，保证在预置时间内，完成机械设计。

2.2 实验结果

本文通过统计实体数据，得出仿真效果数据，将仿真时间设定为9h，本文设计的方法在仿真平台运行32400s，在此条件下，将传统方法与本文设计的方法作对比，结果如下表4 所示。

表4 应用结果

如表4 所示，根据上文中maxE 的计算公式，本文计算出两种方法的矿山机械生产率，传统方法中生产率在90%以下，最低生产率仅为81.22%，最高的生产率也没有超过90%，很难适应矿山的开采环境；而本文设计的方法在工位号1、3、5 中，均可达到100%的生产率，其余生产率也在99%以上，可以适应矿山开采环境，符合本次研究目的。

3 结语

近年来，现代设计技术面向市场与大众的特点，使机械设计逐渐趋向于应用现代设计技术，随着经验的积累，现代设计技术与科技技术相融合，利用相关科学原理，可以使机械设计产生质的飞跃。因此，本文对现代设计技术在矿山机械设计中的应用效果进行分析，得出现代设计技术的应用效果极佳的结论，为矿山机械的设计提供理论基础。