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煤礦機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計是在對產(chǎn)品的功能進行分析后，把產(chǎn)品分解成一個或幾個模塊化的結(jié)構(gòu)，同時將這些基本結(jié)構(gòu)進行選擇和組合，從而形成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)是零件或部件，還可以是系統(tǒng)。一般而言，標(biāo)準(zhǔn)化的模塊的結(jié)構(gòu)應(yīng)進行聯(lián)接和配合，使其據(jù)有相容性和互換性［3］。智能化設(shè)計智能化設(shè)計就需要運用到智能化軟件、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和多媒體來開發(fā)和設(shè)計并表達出產(chǎn)品的構(gòu)想和結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)化設(shè)計系統(tǒng)化設(shè)計就是把多個設(shè)計來組成一個系統(tǒng)，而且每個設(shè)計互相不干預(yù)，但是要素之間又存在有機性的聯(lián)系，在把所有的設(shè)計要素聯(lián)合在一起后，就可以完成所需要完成的任務(wù)。

煤礦機械設(shè)計的趨勢

如今，煤礦機械設(shè)備技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的制造技術(shù)轉(zhuǎn)向先進制造技術(shù)。而先進的制造技術(shù)包括的范圍十分廣闊，它涉及的過程包括產(chǎn)品的市場調(diào)研、產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作以及加工和售后服務(wù)，先進的制造技術(shù)要把這些過程有機的統(tǒng)一起來，尤其是隨著機械信息技術(shù)、傳感技術(shù)、自動化技術(shù)以及新材料技術(shù)和現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術(shù)的不斷進步，煤礦機械設(shè)備在產(chǎn)品的設(shè)計、制造和管理售后上，已經(jīng)向著綜合運用各種先進技術(shù)的方向發(fā)展。目前，煤礦機械設(shè)計方向已經(jīng)朝著合作化、虛擬化和自動化發(fā)展。在合作化上，企業(yè)隨著市場競爭的逐漸激烈，以及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，選取了競爭與合作共存的發(fā)展方向。因此，在機械的設(shè)計、零件物料的選擇和制造以及產(chǎn)品的銷售上都采取了異地或跨國合作［4］。機械設(shè)備技術(shù)的另一個發(fā)展趨勢是虛擬技術(shù)的運用。所謂虛擬技術(shù)，就需要運用計算機來實現(xiàn)真實系統(tǒng)的模擬，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計工藝上的缺陷，并以此來對機械產(chǎn)品的質(zhì)量進行測試，確保設(shè)備的質(zhì)量和成本達到最佳比。此外，機械設(shè)備由于采用了集成技術(shù)、人機一體化和系統(tǒng)技術(shù)，其發(fā)展的趨勢也朝自動化的方向發(fā)展。

現(xiàn)代設(shè)計在煤礦機械設(shè)備中的應(yīng)用

可靠和穩(wěn)健的機械設(shè)計煤礦生產(chǎn)的環(huán)境是一個非常嚴酷的環(huán)境，機械設(shè)備在這樣的生產(chǎn)環(huán)境中進行生產(chǎn)會對機械的壽命產(chǎn)生影響。而這就需要一個穩(wěn)健性的設(shè)計來保證機械的良好運行。而穩(wěn)健性設(shè)計就是用系統(tǒng)的非線性，選擇合理的可控因素，使得機械能夠?qū)Νh(huán)境變化、產(chǎn)品老化等達到最不敏感的狀態(tài)，以此就可以提高機械的穩(wěn)定性。在穩(wěn)健性設(shè)計中，先通過系統(tǒng)性分析和試驗，再以一定的變量表達所要的參數(shù)，然后根據(jù)其影響因素，并且以可控因素調(diào)節(jié)得到最佳參數(shù)。此外，運用有限元法設(shè)計也是不錯的工程分析法。這種方法既可以分析邊界不規(guī)則、厚度突變等受力對象，還能解決幾何非線性等復(fù)雜問題，因此，成為一種不錯的工程分析法。而在煤礦生產(chǎn)中，機械受力十分復(fù)雜，而采取這種方法則正好合適。例如，由于結(jié)構(gòu)和受載的復(fù)雜性，電動挖掘機的動臂和斗桿采用了工程計算法，這種方法的缺點是它只能確定危險截面處的應(yīng)力，因而確定不了動臂和斗桿中鋼板的應(yīng)力分布。但是，采用了有限元法在對其應(yīng)力分析時，就可以得到每塊鋼板的應(yīng)力分布。智能和虛擬設(shè)計職能設(shè)計，可以形成智能的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它能夠在結(jié)構(gòu)中將傳感器、控制器及執(zhí)行器進行整合集成，使其在適應(yīng)環(huán)境和愈合損傷方面產(chǎn)生智能功能，從而使機械降低能耗，提高性能，并且增加結(jié)構(gòu)的安全性。例如，采礦新技術(shù)就是采用職能采礦，在礦井安全生產(chǎn)中，紅外技術(shù)和機器人技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，這些智能機械在煤礦生產(chǎn)中擁有不錯的發(fā)展前景。因為煤礦機械設(shè)備所運行的環(huán)境比較復(fù)雜，加上大型機械本身的制作成本比較高，要在實際工作中來發(fā)現(xiàn)機械的不足，就需要通過反復(fù)的試驗，而這樣就會對人力和物理造成浪費和損耗，因此通過運用虛擬設(shè)計的方法可以減少浪費，降低損耗。所謂虛擬設(shè)計就是通過仿真技術(shù)來模擬機械在實際運行時的參數(shù)，使其運行環(huán)境的參數(shù)達到可視化，并通過對機械的動力學(xué)和運動學(xué)進行虛擬試驗，就可以達到對機械的優(yōu)化設(shè)計．此外，設(shè)計人員根據(jù)機械相互配合的情況，可以按照用戶的需求來修改參數(shù)，使虛擬樣機得到優(yōu)化．工業(yè)造型和摩擦學(xué)設(shè)計一直以來，設(shè)計人員在機械的性能、穩(wěn)定性等方面進行了很多研究，但是在機械的外觀上卻沒有進行太多的改進和重視。在對煤礦事故的調(diào)查中，很多事故是由于機械的色彩設(shè)計不合理，導(dǎo)致視讀不清楚，引發(fā)操作失誤。還有很多出口產(chǎn)品遭到退貨的原因就是因為機械的外觀設(shè)計無法達到要求。在色彩的安排中，色瓷很鮮艷的話容易使人疲憊，如果是灰暗色，則令人感到壓抑，如果能夠充分利用色彩和人的視覺的關(guān)系，有助于提高設(shè)備的工作效率，能提供給作者舒適明快的感覺。由此可見，工業(yè)造型設(shè)計在煤礦設(shè)計中不僅僅是美觀問題，也對工作效率的提高有很大提高。在煤礦工作中，機械的摩擦和磨損比其他行業(yè)要嚴重，在井下設(shè)備中，都會存在普遍的磨損。摩擦學(xué)是研究機械在相對運動中，運動表面在接觸、滾動、磨損和潤滑等方面的科學(xué)技術(shù)。隨著煤礦機械水平的提高，機械設(shè)備的摩擦問題越來越得到人們的重視，其直接影響煤礦生產(chǎn)的高效性。網(wǎng)絡(luò)動態(tài)和模擬化設(shè)計煤礦機械設(shè)備需要在惡劣的環(huán)境中運用，需要具備高技術(shù)和大投資，其研制和試驗的周期也很長，如果只采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，不僅會花費大量的研制費用，而且周期長，無法適應(yīng)市場的要求，而這方面的失誤都會帶來巨大的損失。因此，運用網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計，即將設(shè)計、制造和仿真、模擬集于一身的新型設(shè)計應(yīng)用在煤礦機械生產(chǎn)中，這對我國煤礦機械進入全球化軌道和在國際分工中找到發(fā)展空間十分重要。機械產(chǎn)品的運作是一個動態(tài)的過程，其運用的環(huán)境包括正常信號和干擾信號。如果只是根據(jù)正常信號去進行設(shè)計，結(jié)果可能與實際狀況相差很大，因此，在考慮機械產(chǎn)品的運作時應(yīng)該對正常信號和干擾信號一起考慮，目前，我國在大型機器采掘機械動力的設(shè)計研究不是很夠，因此需要加強對動態(tài)模擬設(shè)計的研究。因為煤礦機械在使用過程中，會因為環(huán)境因素給機械帶來不利的影響，因此，設(shè)計人員需要全盤考慮能夠帶來機械問題的因素，要進行人－機－環(huán)境一體化分析，只要在全面均衡的情況下才能保證系統(tǒng)的整體性能達到最優(yōu)化。在環(huán)境上，要注意環(huán)境協(xié)調(diào)設(shè)計，是使產(chǎn)品在使用中能夠不污染環(huán)境，還可以起到節(jié)約資源的作用。

煤礦機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計對機械設(shè)備能夠在惡劣的環(huán)境中良好運作，提高機械生產(chǎn)的效率，降低生產(chǎn)損耗十分重要，合理運用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)對機械設(shè)備生產(chǎn)具有重要意義。目前，很多現(xiàn)代設(shè)計方法已經(jīng)被應(yīng)用到煤礦機械設(shè)備生產(chǎn)中，產(chǎn)生了不錯的效果。隨著機械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)與時俱進，不斷改進技術(shù)，將創(chuàng)新的設(shè)計理念以及數(shù)字、智能、虛擬等技術(shù)結(jié)合起來，運用到機械設(shè)備生產(chǎn)中，提高煤礦機械設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)損耗。

本文作者：黃福盛工作單位：重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院