郭翔

徐州煤礦安全設(shè)備制造有限公司，中國(guó)·江蘇 徐州 221011

1 引言

中國(guó)對(duì)煤炭資源的消耗量巨大，礦山機(jī)械是煤礦生產(chǎn)中的重要基礎(chǔ)設(shè)備，它和礦山的生產(chǎn)效率有著直接的聯(lián)系，新時(shí)期需要加大新型設(shè)計(jì)方案的使用，更好地管控煤炭資源，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)奠定強(qiáng)力的基礎(chǔ)。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要起源于19世紀(jì)中期，迄今為止經(jīng)歷了100 多年的變遷。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的影響，機(jī)械設(shè)計(jì)和其他的學(xué)科不斷交叉，是制造業(yè)朝著現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化的方向不斷發(fā)展。用戶對(duì)產(chǎn)品的需求也更加的多樣化、高端化。因此，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要采取有效的設(shè)計(jì)方法，使產(chǎn)品更加科學(xué)和完善，提高設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度和計(jì)算程度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。

2 傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的方法

通常情況下，礦山機(jī)械設(shè)計(jì)主要由以下三個(gè)階段。

第一，直覺(jué)設(shè)計(jì)階段。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它更是一種直覺(jué)設(shè)計(jì)，或者是全憑人的直觀感覺(jué)來(lái)進(jìn)行工具設(shè)計(jì)，該階段是人類歷史中較為古老的一個(gè)時(shí)期。

第二，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。該時(shí)期是手藝人的聯(lián)合，彼此之間相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的交流，然后進(jìn)行圖紙組織生產(chǎn)，是圖紙?jiān)佻F(xiàn)的過(guò)程，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的手工藝人，可以通過(guò)圖紙、數(shù)據(jù)、信息對(duì)自己的經(jīng)驗(yàn)或者是構(gòu)思進(jìn)行記錄，方便傳授。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不斷的分析和改進(jìn)，滿足社會(huì)生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品的需求，使人類設(shè)計(jì)活動(dòng)更加地直觀。

第三，半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。自20世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)信息技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論也不斷增強(qiáng)。隨著理論的探究，理論計(jì)算和長(zhǎng)期實(shí)踐不斷積累，出現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)、公式、圖表設(shè)計(jì)手冊(cè)等，半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段主要有理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先，對(duì)于理論設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，它是設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的融合。按照現(xiàn)有的方法初步設(shè)計(jì)，然后使用強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行工件尺寸的校核。其次，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)某類零件有的設(shè)計(jì)方法、以及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，此類設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。最后，模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)于尺寸較大結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，尤其是重型整體零件，為了不斷地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，可以采用模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方式，通過(guò)反復(fù)對(duì)比以及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)特性進(jìn)行校驗(yàn)，逐步修改進(jìn)而完善，這種設(shè)計(jì)方式叫做模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的方法

礦山機(jī)械設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，在推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中有著至關(guān)重要的作用，它是一種動(dòng)態(tài)、科學(xué)的計(jì)算方式，學(xué)科存在交叉性和綜合性，將靜態(tài)手工的方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)、動(dòng)態(tài)的計(jì)算機(jī)方式。常見(jiàn)的有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，它稱之為CAD，能對(duì)計(jì)算機(jī)信息進(jìn)行處理，全面提高計(jì)算的精準(zhǔn)度，且數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量巨大，邏輯判斷能力強(qiáng)，它和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，一方面，顯著提高設(shè)計(jì)效率，有效地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的期限，使機(jī)械零件、機(jī)械產(chǎn)品及時(shí)更新?lián)Q代。另一方面，它能存儲(chǔ)大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)信息，能在最短的方案內(nèi)給予產(chǎn)品不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行方案的對(duì)比分析，得到最優(yōu)方案。在某種程度上，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造能構(gòu)成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，全面提高企業(yè)的效益，進(jìn)行市場(chǎng)預(yù)測(cè)、產(chǎn)品研發(fā)、售后等一系列的工作，在最短范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)人力、物力、時(shí)間等各類資源的綜合使用。

在現(xiàn)代化設(shè)計(jì)中，還有一種是模塊化設(shè)計(jì)的方式，能在一定范圍內(nèi)對(duì)不同功能，相同功能不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一系列的功能模塊，彼此之間相互組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，更好地滿足市場(chǎng)的需求，它和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是不同的。一方面，能有效地減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間，縮短供貨周期，能獲得更多的潛在客戶。另一方面，在進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代的同時(shí)，能提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，更好地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)發(fā)生的變化。不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且能降低成本，全面增強(qiáng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，方便產(chǎn)品維修。如表1所示是傳統(tǒng)礦山機(jī)械設(shè)計(jì)以及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的對(duì)比[1]。

4 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在礦山機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

4.1 可靠設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)械可持續(xù)發(fā)展，要對(duì)礦山機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量和效果進(jìn)行管控。對(duì)于可靠性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，它是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)可靠形式，即不僅要做實(shí)驗(yàn)，還需要對(duì)荷載、工況、尺寸、機(jī)械材料性能等進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，為具體數(shù)據(jù)的排布提高可控提供可靠性依據(jù)，由此來(lái)確定設(shè)備的使用壽命，降低可靠性的環(huán)節(jié)，提高礦山機(jī)械設(shè)備質(zhì)量，保證工人的生命安全[2]。

4.2 CAD 技術(shù)

上文提到CAD 技術(shù)也稱之為計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，它是現(xiàn)代機(jī)械方法的重要體現(xiàn)。近年來(lái)，在科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)之下，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越普遍，它被廣泛使用在礦山機(jī)械行業(yè)使用CAD 技術(shù)，它能突破礦山機(jī)械存在的局限，由于礦山開(kāi)采本身存在各種各樣的危險(xiǎn)，再加上環(huán)境多變復(fù)雜CAD 技術(shù)能使礦山開(kāi)采更加的智能化，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速率和準(zhǔn)確率。在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用CAD 技術(shù)能將礦山機(jī)械技術(shù)變?yōu)槭┕と藛T的幫手，不管是在繪圖、開(kāi)采等方面，都能提高操作的安全性和精準(zhǔn)性[3]。

4.3 有限元法

礦山機(jī)械在進(jìn)行工作時(shí)，它的受力情況并不是一成不變的，由于受到外界因素的干擾，受力情況較為復(fù)雜，不能進(jìn)行有效的計(jì)算，這時(shí)可以使用有限元法，借助于計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，能分辨出設(shè)備各個(gè)方面的受理情況，找到相應(yīng)的薄弱點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，使用有限元法能提高設(shè)計(jì)速度，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)結(jié)構(gòu)和荷載都能進(jìn)行全面分析，做好截面的校對(duì)工作，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率[4]。

4.4 綠色設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中，綠色設(shè)計(jì)以經(jīng)濟(jì)、環(huán)保為主，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可回收、可維護(hù)、可重復(fù)使用。能降低機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，在最大范圍內(nèi)限制了廢棄物的排放，此外還能減少礦山的噪音污染。眾所周知，礦山機(jī)械在運(yùn)作時(shí)，它的功率大，發(fā)動(dòng)機(jī)需要較大的動(dòng)力，這時(shí)需要耗費(fèi)大量的燃油，為了強(qiáng)化節(jié)能設(shè)計(jì)理念，為礦山機(jī)械長(zhǎng)期發(fā)展奠定基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)師們應(yīng)該大膽突破，把關(guān)生態(tài)信息和科學(xué)技術(shù)，能有效地降低能源損耗，提高工作效率[5]。

4.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

使用最優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，能將設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為具體的三維立體模型，通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，找到最優(yōu)的解決方案，在設(shè)計(jì)操作過(guò)程中設(shè)計(jì)問(wèn)題越復(fù)雜，反而越能體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用優(yōu)勢(shì)，它能有效地減輕設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，推進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，進(jìn)而更好地改善產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在礦山機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該巧用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法，與時(shí)俱進(jìn)，充分使用現(xiàn)有的科學(xué)資源，使礦山機(jī)械更加智能化、精密化。