煤矿机械的现代设计方法.pdf

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1、文章编号:100320794(2006)0620916203 煤矿机械的现代设计方法 赵中敏 (淮海工学院 东港学院,江苏 连云港222069) 摘要:现代设计方法具有程序性、 创造性、 系统性、 优化性和综合性等特点,推行现代设计方 法是企业技术进步的需要,是提高产品质量、 降低生产成本以适应市场竟争的需要,企业大力推行 现代设计方法逐步取代传统的设计方法势在必行。结合现代设计方法的特点,系统地总结了现代 设计方法在煤矿机械设计中的应用。 关键词:煤矿;机电设备;现代设计;方法综述 中图号: TD5文献标识码: A Modern Design Methods of Coal Mine Mac

2、hine ZHAO Zhong- min (Donggang College ,Huaihai Institute of Technology ,Lianyungang 222069 ,China) Abstract:The modern design method has the program , creative , system , excellent turn sex and synthetic char2 acteristicses , promoteing modern design method is a progressive demand of the business e

3、nterprise technique , is raises the product quantity and lower the production cost with the orientation market contends for unexpect2 edlyof demand , business enterprise strongly promoting modern design method replace the traditional design method power gradually at go necessarily . Combine the char

4、acteristics of the modern design method , systemati2 cally tallied up the modern design the method is in the coal mine machine design of application. Key words:coal mine ; machine electricity equipments; modern design; method overview 0 引言 煤矿机电产品是煤矿的核心设备,其性能和质 量的好坏直接影响煤矿的生产和安全。提高煤矿机 电产品的性能和质量,不但要提高其

5、加工制造和使 直接应用。其传统领域是楼宇自动化,目前已扩大 到工厂自动化和农业控制领域。 2 发展方向 随着现场总线技术的兴起,改变了控制系统的 结构,使其向控制网络化方向发展,并且控制网络与 数据网络的结合将实现一种开放的、 全分布式的控 制系统与网络系统。 控制网络是完成自动化任务的网络系统,其网 络节点大多是具有计算与通信能力的测控仪表。现 场总线把具有数字计算和数字通信能力的多个测量 控制仪表连结成网络系统,按公开、 规范的通信协 议,在位于现场的多个微机化测量控制设备之间、 现 场仪表与远程监控计算机之间,实现数据传输与信 息交换,形成自动控制系统,实现基本控制、 补偿计 算、 参数

6、修改、 报警、 显示、 监控、 优化及控制一体化 的综合自动化功能。 现场总线控制系统(FCS)改变了DCS的控制结 构,把控制算法集成在智能仪表中,将控制功能分散 到现场的智能仪表中。智能仪表可以在生产现场执 行对生产过程的控制,因此,一方面即使计算机发生 故障,控制系统也不会 “瘫痪”;另一方面,工作站和 智能仪表之间通过控制网络进行数字化通信,除了 能够完成组态与管理功能外,还可以在必要的时候 对生产过程按复杂的高等控制计算结果进行控制。 控制系统过去那种封闭式的、 集中式的,不灵活 的体系正在被未来开放式的、 网络式的,灵活的体系 所取代。网络化的控制体系远比PLC和DCS更为 优越。

7、 现场总线作为控制设备之间实现数字通信的联 系纽带,把具备通信能力的测控仪表作为网络节点, 连接成开放式的、 数字化、 多点通信的底层控制网, 称为Infranet。将Infranet与Intranet和Internet为代 表的数据网构成Infranet - Intranet - Internet的网络 结构,可使控制网络与信息网络融为一体,让控制信 息融入数据网络。远程监控系统就是该体系在生产 领域内的应用之一。 3 结语 随着计算机技术和控制技术的发展,未来的自 动化控制领域将是现场总线及控制网络的天下,它 将开辟过程控制新纪元,带来控制系统结构的大变 革。 作者简介:高杰(1974 -

8、 ) ,河南永城人,1993年毕业于淮北煤炭 师范学院机电一体化专业,现任河南永城神火集团选煤厂洗煤车间 主任. 收稿日期:2006203207 第27卷第6期 2006年 6月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol127No16 Jun12006 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 用维护水平,更重要的是提高其设计水平。因此,应 用现代设计方法,缩短设计周期,降低设计成本,提 高设计质量,能更好地满足煤矿机电设备研制和生 产

9、需要。目前,现代设计方法在煤矿机电产品的设 计中已得到了广泛应用。本文系统地总结了现代设 计方法在煤矿机械设计中的应用。 1 现代设计方法 现代设计方法是应用现代科学知识,考虑自然 科学、 社会科学、 经济科学等诸多因素,经过设计人 员创造性思维、 规划和决策,制定可以用于制造的方 案,从而获得质高、 价廉、 有创新产品的设计方法。 现代设计方法具有以下主要特点: 系统性; 智能性; 创新性; 优化性; 先进性; 动态性; CAD化。 2 现代设计方法在煤矿机械设计中的应用 (1)可靠性设计 产品的可靠性主要是由设计阶段来决定的。如 果设计阶段不考虑其可靠性,以后无论怎样制造和 维护,也难以达

10、到较高的可靠性。煤矿机电设备的 可靠性设计就是要根据使用要求确定产品的可靠性 定量指标,收集零部件的数据,确定设备的寿命周 期,建立设备的可靠性模型,定量计算、 分配和评价 设备的可靠性,找出设备中可靠性最低的环节加以 改进,从而提高整个产品的可靠性。 (2)优化设计 在煤矿机电产品设计的过程中采用优化设计, 可以保证产品具有优良的性能,减轻产品质量,缩小 产品体积,降低产品成本。同时也可以使设计者从 大量繁琐的设计工作中解脱出来,大大提高设计效 率和设计质量。在对某减速器进行优化设计时,可 使其质量减少12 % ,体积缩小13 % ,大大降低了设 计成本,提高了产品的性能。在设计过程中,设计

11、问 题愈复杂,其优化设计结果所取得的技术经济效果 愈显著,愈能显示出优化设计的优越性。 (3)模块化设计 在研制、 生产煤矿机电产品时,采用模块化、 标 准化设计,可以大大减少设计工作量,减少重复出现 的技术过失,增大装备结构的互换性、 维修性和生产 性。模块化设计中要以功能为基础划分模块,将那 些在设计中一般变动不多而应用较广的部分和变动 较频繁的部分分别设置模块。 (4)有限元法设计 煤矿机械受力的复杂性正好适于有限元法来分 析,例如,电动挖掘机的动臂和斗杆由于结构和受载 的复杂性在设计中一直采用工程计算法,即将其作 为承受弯曲变形的梁来处理,因而只能确定危险截 面处的应力,而不能确定组成

12、动臂和斗杆的每块钢 板的应力分布。为此,程春芳等人采用有限元法,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,得到每块钢板 的应力分布状况,使问题得到了很好的解决。 (5)创新设计 创新设计是设计人员针对新的或预测的需要, 从已知的、 实践检验可行的理论和技术出发,充分运 用创造性思维、 构思并设计出过去没有的全新事物 的技术过程。它的基本特点是要求实现前人未曾实 现过的功能或是更新现有产品的工作原理、 主要结 构、 材料及工艺,以提高该产品的竞争能力。 (6)绿色设计 绿色设计(Green Design)或称为环境协调设计 (ECD ,Environme

13、ntal Conscious Design)是相对于传统 设计而言的,它是指在产品设计寿命的全过程中做 到有利于生态环境的保护,在不污染或少污染环境 的同时又有利于节约资源和能源。其任务是缓和工 业化社会与生态环境的冲突,协调工业发展与社会 文明的关系。煤矿机械产品的绿色设计可以定义 为:在所开发的产品整个生命周期中,以产品技术、 经济和环境属性(可拆卸性、 可回收性、 可维护性、 可 重复利用性等)为统一设计目标、 满足用户需要和环 境要求的产品设计过程。由于煤矿机械应用场合的 特殊性,要求必须保证使用性能和安全可靠,在此基 础上,应当具有良好的环境属性。因此绿色设计是 煤矿机械设计中不可缺

14、少的环节。 (7)稳健性设计 稳健性设计技术是利用系统的非线性,通过合 理选择可控因素的优化水平,组合产品性能对各种 干扰(如操作参数波动、 环境变化、 产品老化等)最不 敏感而提高产品质量的稳定性。众所周知,煤矿机 械工作环境十分恶劣,要在这样的工作环境下使机 器具有长的工作寿命,那就需要应用稳健性设计技 术。 (8)智能设计 智能设计也叫做智能工程,其目的是实现一种 智能结构系统,该系统是一种在结构中集成传感器、 控制器及执行器,赋予结构健康自诊断,环境自适应 和损伤自愈合等某些智能功能与生命特征,以达到 增强结构安全、 减轻质量、 降低能耗、 提高性能等目 的的仿生结构系统。随着信息时代

15、的到来,21世纪 采矿新技术是以智能采矿为特征,实现智能采矿的 关键是研制智能煤矿设备。红外技术和机器人技术 等可以用于矿井安全生产和救灾,它们在煤矿生产 中有着广泛的应用前景。 (9)并行设计 并行设计是充分利用计算机技术、 通信技术和 现代管理技术,对产品设计及其相关过程(包括设计 过程、 制造过程和支持过程)进行并行、 一体化设计 的一种系统化设计模式。现在的煤矿设备大多安装 有故障监测设备,但这些装置大多是后来设计安装 的,不可避免地与原设备存在着不协调,使安装和使 用都不方便,而且功能上也不一定能满足要求。如 第27卷第6期 煤矿机械的现代设计方法 赵中敏 917 1994-2007

16、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 果进行并行设计,把故障监测装置作为产品设计的 一部分,在产品设计阶段就考虑其故障监测问题,会 使设备功能更加完善和协调。 (10)模糊设计 模糊设计是把模糊理论引入到设计领域中,它 不是建立在对系统进行精确的数学分析基础上,而 是根据模糊性的实际经验确定设计参数。如采煤机 传动主轴强度设计,考虑主轴失效的模糊性,建立主 轴失效的模糊函数,采用模糊设计的方法设计主轴, 既能满足设计要求,又减少了材料的使用,降低了设 计成本。 (11)虚

17、拟设计 煤矿机械由于大型、 复杂,制造成本高,运行环 境复杂,这就要求在设计过程中考虑过多的影响因 素,还要在实际应用中测试和发现它们的不足,这样 往往使物理样机要通过反复的实验,从而造成人力 和物力的较大浪费,虚拟设计的应用解决了这个问 题。虚拟技术是通过仿真提供机械运行环境参数的 可视化(不只是一般几何形体的空间显示,而且也可 对噪声、 温变、 力变、 磨损、 振动等予以可视化 ) , 设计 者可以在虚拟实际工况下进行仿真测试,对整机的 运动学特性和动力学特性进行虚拟试验研究,从而 实现产品系统的优化设计。 (12)动态模拟设计 任何机械产品总处在动态过程中,处在各种正 常信号与干扰信号共

18、同作用之下。目前我国在大型 采掘机械动态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。又如提升容器在进入楔形箱道、 紧急制动和 切换电阻起动等工作状态下的外载荷与时间的关系 问题等,都需要用动态模拟设计来解决。 (13)人机工程 在煤矿机械的使用过程中,恶劣的环境因素对 操纵者和机器均带来极为不利的影响,已经成为煤 矿机械设计中需要考虑的主要问题之一。因此,只 有从系统的观点出发,进行煤矿机械使用过程中的 人-机-环境系统化分析,充分考虑,全面均衡,才 能保证系统性能的整体最优化。 (14)工业造型 由于煤矿机械使用条件恶劣,人们只在完善功 能、 提高强

19、度和可靠性等问题上进行研究,而产品的 外观色彩设计一直没有引起足够的重视。有些与操 作者贴近的煤矿机械设备,如果色彩过分鲜艳,会很 快使人疲劳;如果涂成千篇一律的灰暗色,则会令人 感到冷漠和压抑。若充分利用各种色彩的特性、 人 的视觉,并且注意搭配和谐的色彩,就会有助于保持 操作人员的积极性,提高工作效率,保障安全生产, 同时给工作者以亲切、 舒适、 明快、 轻松的感觉。 (15)摩擦学设计 摩擦学是研究相对运动表面相互作用的科学技 术和有关实践的一门科学,也就是研究相对运动表 面间在接触、 滚动、 滑动时摩擦、 磨损与润滑方面的 科学技术。我国煤炭生产95 %以上是在井下进行 的,工况条件异

20、常恶劣,工作对象为不同地质条件的 煤岩体。因此煤矿机械的摩擦、 磨损比其它行业尤 为严重,各种形式的摩擦磨损普遍存在于井下设备 中。钢丝绳、 减速器、 提升机、 刮板运输机和综采机 等都存在严重的磨损问题。随着我国煤矿机械化水 平的不断提高,设备的摩擦学问题日益突出,直接影 响到煤矿的高产高效生产,开展煤矿机械的摩擦学 研究已成为当前一项非常迫切的任务。 (16)相似性设计 相似性设计是一种基于分形理论的设计方法。 煤矿机械的传动系统和工作装置结构形状复杂,设 计繁琐,如利用分形理论与计算机图形学结合起来, 不仅可以设计出美观的结构外形,而且还可以设计 出相应的自动加工装置。 (17)设计的网

21、络化 大型煤矿机电设备具有技术含量高、 投资大、 批 量小、 工作环境恶劣及研制试验周期长等特点,若采 用传统的设计方法和手段,依靠某一两个单位去完 成,不仅研制费用高、 周期长、 无法适应市场经济的 客观要求,而且实体样机中任何系统设计方面的失 误都会带来巨大的经济损失。因此,应该建立以资 源共享、 优势互补、 动态响应和利益均衡为特征的集 设计、 制造、 仿真分析、 模拟试验和项目管理于一体 的虚拟样机设计联盟,即实行设计活动的网络化,它 是未来工矿设备的新型设计模式。这有利于尽快将 我国煤矿机械的发展纳入全球化的轨道,在全球化 的国际分工中找到自己的发展空间。 参考文献: 1程春芳,杨松

22、.矿山10m3电铲动臂、 斗杆应力的有限元分析J . 北京科技大学学报,1996(1) :15 - 17. 2王启广,叶平.现代设计理论M.徐州:中国矿业大学出版社, 2002. 3朱华,顾玉华.低噪声双轴振动筛研制J .机械工程学报,1998 (4) :77 - 79. 4韩寿祖.稳健性设计技术 - ( )稳健性设计的实施J .化学工 业与工程技术,1996(2) :69 - 71. 5朱华,葛世荣,左明,等.矿车红外探测报警系统研制J .中国矿 业大学学报,2002(2) :166 - 170. 6朱华,葛世荣,余小燕,等.矿井人员红外探测计数技术研究J . 中国矿业大学学报,2003(2

23、) :165 - 168. 7李瑞涛,方湄,张文明.虚拟样机技术及其在矿山机械领域的应用 展望J .矿山机械,2000(5) :11 - 12. 8彭兆行.矿井提升设备结构的动态设计与损伤容限设计J .矿山 机械,1989(1) :41 - 43. 9贾爱梅,张琦.矿山机械模拟振动座椅设计J .矿山机械,1990 (3) :57 - 58. 作者简介:赵中敏(1974 - ) ,江苏连云港人,淮海工学院东港学 院讲师,硕士,主要从事机械设计理论、 机电一体化系统的研究与教 学工作,发表论文14篇,Tel :0518 - 5153238. 收稿日期:2006203227 918 煤矿机械的现代设计方法 赵中敏 第27卷第6期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/