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采掘机械设计亟须采用现代设计方法
摘要:从煤炭生产在我国国民经济中的重要地位和市场经济对产品设计的要求出 发, 论述了末掘机械设计中采用现代设计方法的必要性与迫切性。基于国内外产品设计的现状, 指出采用现代设计方法的可能性。提出在煤机企业中采用现代设计方法的措施与途径, 并给出了应用实例。关键词:采掘机械 现代设计方法 设计方法学 1.引言
众所周知, 采掘机械是煤炭生产中最主要的机械设备, 采掘机械的优劣, 直接影响巷道掘进速度,影响煤炭产量, 影响劳动生产率以及影响煤矿经济效益。
采掘机械与所有其他机械产品一样, 在其从无到有的过程中, 都是源于设计。设计决定了采掘机械的性能和质量。因此, 设计过程是采掘机械诞生过程中最重要的一个环节。人们可以采用不同的设计方法实现设计过程。如此, 设计过程乃至设计结果将是完全不同的。随着科学技术的发展, 设计方法也必然推陈出新。如果设计师不能适时地采用新设计方法, 而是墨守陈规, 采用古老的、传统的设计方法, 不但影响设计周期, 而且必然影响产品质量。2 在采掘机械设计中采用现代设计方法的必要性与可能性 2.1在采掘机械设计中采用现代设计方法的必要性
现代设计方法这一术语在我国已被广泛采用,并已基本得到认同。但这是一个有明显时空限制条件的术语。随着时间的推移, 现在这些被称为“ 现代设计方法”的方法, 将失去其“ 现代” 意义。在我国, 大部分机电产品设计部门至今仍然沿用传统设计方法, “ 现代”是与“ 传统”相对应的。
遂碎着科学技术的大幅度进步, 设备技术参数和工况参数的检测手段以及数据处理手段不断更新,人们不断揭示设备零部件破坏原因和整机失效规律。随着人们认识的深化和提高, 不断提出改进设备性能和提高设备可靠性的设计方法, 如有限元设计方法、模态分析方法、可靠性设计方法等。人们为了保证实现某些既定目标, 如最低成本或最小重量等,又找到最优化设计方法。这些方法的共同特点是以数学为基础、以计算机为手段才得以实现。国外高质量的机电产品和快速的产品更新换代, 无一不是采用现代设计方法而实现的。国外对设计的重视日甚一日。1988 年以来新加坡已经举办了三次国际设计讨论会, 在学校增设了新的设计课, 建立了设计展销中心。香港早就采取措施促进设计的应用与发展。早在70年代, 香港就创办设计学院,80 年代成立了“ 设计革新公司” , 专门承揽设计任务。西班牙很早成立了工业设计发展协会。该会主席霍尔迪· 蒙塔尼亚指出, 设计是在国际市场进行产品竞争的关键因素, 产生成功的设计,就要在方案设计阶段花费较长时间, 设计要领先竞争对手。德国的大企业集团均设有人数众多的设计部和产品开发部, 设计人员占工程技术人员总数的50%以上, 现代设计方法早已在各大公司得到普遍应用。日本对设计的的重视更是早为世人所瞩目。日本的设计师认为, 设计决定了产品的全部功能, 产品质量比例的70%以上是由设计决定的。我国经济的高速度发展对能源有着巨大的需求, 在我国一次能源结构中, 煤占70%以上。由此可见, 在最近乃至相当长一个时期内, 煤炭生产仍然是我国国民经济最重要支柱。到2000 年, 煤炭产量将达到14亿t , 将以高产高效的一井一面生产组织形式作为煤炭生产发展方向, 国有重点煤矿精减分流100万人。开发和研制高产高效和高可靠性采掘机械是实现这些既定发展目标的重要保证, 是目前最迫切的任务。此外, 不仅在煤炭生产中应用采掘机械, 在金属矿山、化工矿山以及建筑原材料矿山中, 在开凿水工隧道和交通隧道时, 也大量需要采掘机械。在国外的井盐开采使用采掘机械已是众所周知。我国最近竣工的引大入秦工程中, 外国公司也使用了悬臂式掘进机。如果我们的采掘机械能成功地用于这些煤炭生产以外的矿山生产和工程建设中, 将为国产采掘机械开辟新的市场, 这将为我们的采掘机械生产企业注入新的活力。另外我们还要有勇气涉足国外市场。
如前所述, 市场经济为我国采掘机械提供面对国内外大市场的机遇, 抓住这一机遇的关键在于设计, 设计方法是其中之核心。可见, 采用现代设计方法是振兴采掘机械的需要。
2.2在采掘机械设计中采用现代设计方法的可能性
近十几年来, 有的高等学校、科研单位和生产厂家已采用现代设计方法完成了采掘机械若干零部件的设计任务。已有部分掌握了现代设计方法的理论,并且已经掌握了一定的实践经验。这说明, 在设计部门的主观方面已经具备了应用现代设计方法的可能性。
在客观上, 市场经济体制的建立使供求关系由过去按计划调拨变为供需对接。这种供货方式要求设计造部门及时提供只满足某用户要求的专门设计结果。对于开放式社会, 每一个设计制造单位都必须面对用户的选择。选择标准包括设计周期、供货时间、先进性与可靠性、优良的性能以及较低的售价等。这种国际通常的供需方式为设计部门应用现代设计方法提出迫切要求, 这是应用现代设计方法的客观条件。现代设计方法在采掘机械设计中的应用
在国外的许多采掘机械厂家早已采用优化设计、有限元设计等方法, 大部分零部件的设计与制造是由cad/cam 实现的。我国也有个别零部件采用或参考了应用现代设计方法的设计结果。
3.1应用优化设计方法设计悬肴式掘进机截割头
悬臂式掘进机截割头的主要技术参数是其运动学参数以及与其结构形状和截齿排列相关的几何参数这些参数又与被截割矿岩体的物理机械性质密切相关, 如硬度系数f值、抗压强度ζy、截槽崩落角а以及截槽崩落系数fR 等。技术参数设计的合理与否, 对掘进效率、单位能耗、工作模态以及掘进机可靠性有极大影响。
横向截割头的运动学参数主要是指其摆动速度Vb和自转速度nj。运动学参数的优化是以充分利用被截割矿岩体的物理机械性质指标达到高效截割为目的。优化设计的目标函数
minF1(x)(XiXi1)2(YiYi1)260fRVbcosinjT式（1）
式（1）中Xi,Xi-1,Xr.Xr-1―――第i个截齿和第i-1个截齿的齿尖在X-Y坐标系中的坐标；
fR-矿岩体崩落系数；
Vb-截割头瞬时摆动速度； T-螺旋头数；
nj-截割头转速
在截割头上截齿排列的几何参数的优化, 基于如下两个方面：
（1）应使截齿承受的载荷小而均匀, 以期达到功耗小, 磨损均匀的目的。以单齿截割矿岩体积等为目标函数, 即：
minF2(x)(Vi1niVi1)式（2）
式（2）中n---单一选装线上的截齿数
Vi---第i个截齿的截落矿岩体积
（2）以动载荷波动系数和功耗波动系数最小为优化的目标函数即：
minF3(jkRj)式（3）
式（3）中K---在截割头上划分的计算区域个数? δRj---在第j截割区域的载荷、功耗波动系数
ε---载荷和功耗波动系数允许最大值。
用上述目标函数以及与之相关的设计变量和约束条件, 构成截割头优化设计的数学模型, 并由此编制出相应软件HJT 一CAD用此软件可以完成新割头设计、旧截割头改进设计以及新旧截割头截割性能模拟等设计研究工作。3.2 把模态分析和有限元设计方法用于据进机改进设计
悬臂式掘进机工作时伴随剧烈振动, 导致许多机件失效和截割效率降低。借助于模态分析方法, 寻求和确定掘进机零部件改进设计方案, 改善掘进机工作模态, 是提高零部件可靠性的极为有效的动态设计方法。煤科总院唐山分院研制的EBZ 一75 型掘进机在截割硬煤岩体时, 工作机构强烈振动, 引起联接螺栓松动, 甚至断裂。采用模态分析方法, 找到为优化掘进机动态特性而进行的改进设计途径川。
基于模态分析, 实施对EBZ 一75 掘进机改进设计的主要措施是：
优化截割头上的截齿排列增加回转台联接部件刚度尽量减小悬臂伸缩滑道间隙和增加滑道最小接触长度, 及时调紧滑道。模态分析试验研究结果还表明, 在掘进机工作过程中, 悬臂外伸距离尽量小是改善工作机构模态的有效操作方法。只有在不加大悬臂外伸量就不能完成的工作的条件下才增加悬臂外伸量。对联接油缸的耳座、支承架体等关键零件用有限元法进行分析, 按应力大小合理设计结构形状和尺寸。如果把模态分析和有限元法结合起来, 设计结果更趋合理。3.3用专家未统设计采煤机工作机构
采煤机工作机构主要指螺旋滚筒, 它是采煤机最重要的部件。螺旋滚筒设计要考虑用户要求、采煤工作面地质条件以及采煤机的主要技术参数等因素。现在, 大多数滚筒生产厂家是凭经验或用类比法设计滚筒。很难全面考虑诸多因素, 很难容汇国内外公认的截割理论和成熟的设计方法。
图 1 SDES 系统总体结构图
阜新矿业学院与平岗截齿厂合作, 建立了采煤机工作机构专家系统—SDES 系统, 其总体结构如图1 所示, 该系统运行过程如图2 所示。
该系统为一开放式系统, 采用交互式设计方法,只要把用户要求、使用条件以及配套采煤机的主要技术参数输入计算机, 便可以很快输出滚筒图纸以及全部技术参数。还可以实现载荷波动模拟、计算块煤率、切屑断面模拟以及实现滚筒形体三维动画显示等
图2 SDES系统推理流程图 用SDES系统为铁法矿务局大明二矿某工作面设计的与MG 300, 在井下连续采煤8个月, 由于工作面采到边界而停产升井。该滚筒连续采煤近70 万t , 仅局部轻微磨损, 仍然可以继续使用。在工业试验中测定的相关指标与原使用滚筒相比, 皆有明显提高, 如: 截割比能耗下降了5% 以上装煤效果提高了25% 以上,块煤率提高了7% 以上截齿耗量由68万/件t 降到44万/件t 井下维修时间平均每月减少41小时。该滚筒为用户创造了600。多万元经济效益。
当然SDES 系统还要在应用实践中继续完善。可以肯定建立采煤机整机设计专家系统也是指日可待。
3.4用设计方法学观点指导采掘机械设计
设计方法学是本世纪70 年代在欧洲首先形成,然后其他国家得到广泛应用的方法论。
现在, 我国采掘机械产品正面临用户对产品质量的严格要求和如何扩大国内外市场等与企业生存息息相关的大问题, 解决这些问题的关键也在于设计, 必须把设计过程纳入设计方法学轨道。3.4.1产品设计必须满足用户要求
设计方法学通过分析人类使用物质结构、产品达到欲想目的的事实, 得出一个平常而又重要的结论: 人们对任何产品都有一定要求, 不存在没有要求的用户, 也不存在能满足听有用户的全能产品, 设计师设计的产品必须满足用户的要求。按此观点, 设计过程始于设计师了解和明确用户的要求。用户的要求是设计过程所需要的第一批信息, 也是确定设计方案评价标准的依据。各用户对产品的要求以及用户的使用条件各不相同, 因此不能在产品设计中以不变应万变, 而要采用“ 量体裁衣” 的设计原则。采掘机械设计恰恰也必须遵循这一原则。让用户适应产品是计划经济体制下的情况, 产品不能有效地发挥其功能, 用户的要求也不能全面得到满足。在市场经济体制下, 采掘机械要能适应用户, 赢得用户, 才能不断扩大市场占有率。因此, 设计师要能设计出具有“ 个性” 的采掘机械产品。
3.4.2 把产品视为技术系统
设计方法学把任何产品都视为技术系统, 产品设计过程用系统工程的思想组织实施。设计顺序从总体方案到各零件形成树状体系。设计过程从明确用户对产品的要求到每个设计步骤可以反复进行,如图3所示〔3〕。把产品视为技术系统的目的有三:一是把零部件视为子技术系统, 采煤机或掘进机是由一阶、二阶、三阶⋯ ⋯ 子技术系统构成的主技术系统, 这是一个树状结构, 设计过程便由主系统到子系统顺序展开,二是便于划清各子系统边界, 为设计过程提出明确的边界条件和约束条件, 三是使设计过程全部技术及文件信息系统化, 便于管理和调用, 在用CAD/CAM.开发产品时实现无图纸化加工。
3.4.3设计师必须创造性地工作, 必须站在社会水平的高度审视设计结果
图3设计过程 设计师创造性地工作, 站在社会水平的高度审视设计结果, 才能设计出竞争力强、无与伦比的产品。类比和仿制只能永远跟在他人后面, 唯有创造才能推陈出新, 才能独树一帜。唯有站在社会水平的高度来设计, 才能产生具有社会水平的产品:图（图4）。若我们的采掘机械产品具有社会水平, 将是不仅具有优化的零部件, 不仅在本行业内属优良产品, 而且将其置于社会之中, 从各个角度来观察, 仍是无可非议的产品, 则其竞争力强, 出口前景广阔。
综上, 我们的设计师必须掌握设计方法学的知识, 并能在采掘机械产品开发中加以运用
图4设计师审视采掘机械产品的水平分布迅速实现在采掘机械设计中采用现代设计方法的措施
迅速实现在采掘机械设计中采用现代设计方法, 要从如下诸方面着手5（1）要从思想上真正认识到“ 关键在于设计” 的道理, 在企业中把产品设计工作当作头等大事来抓。
（2）迅速建立起一支掌握现代设计方法的设计队伍, 是落实“ 关键在于设计”的关键。
（3）工作手段现代化是采用现代设计方法的必要条件。必须投资硬件, 改善设计工作的物质条件。先从个人计算机起步, 向工作站和网络化发展, 逐步实现CAD/CAM, 进而建立计算机集成制造系统(CISM)把设计、制造、库存和经营管理中的全部信息, 由统一的网络处理。企业信息网与国际相关信息网并网, 就可以在国际范围内调用软件。我们必须努力实现这一目标。5结语
设计方法的转变关系到采掘机械制造业的发展, 进而又关系到我国煤炭工业的发展。我国的煤机企业要在市场经济大潮中求生存, 求发展, 必须高度重视产品设计,把现代设计方法用于产品设计中, 我们的采掘机械产品定能同国际强手争高低。
参考文献
1刘蕴章, 李贵轩，部分断面掘进机横向截割头的CAD研究阜新矿业学院学报 ,1990(3)2 徐春江,掘进机工作机构动态特性研究阜新矿业学院硕士学位论文1993 3 李贵轩,设计方法学世界图书出版公司1989
