矿山机械设计中现代设计方法的合理应用思考

郭翔

徐州煤矿安全设备制造有限公司，中国·江苏 徐州 221011

1 引言

中国对煤炭资源的消耗量巨大，矿山机械是煤矿生产中的重要基础设备，它和矿山的生产效率有着直接的联系，新时期需要加大新型设计方案的使用，更好地管控煤炭资源，为区域经济增长奠定强力的基础。机械产品设计主要起源于19世纪中期，迄今为止经历了100 多年的变迁。近年来，随着经济全球化的影响，机械设计和其他的学科不断交叉，是制造业朝着现代化、精准化的方向不断发展。用户对产品的需求也更加的多样化、高端化。因此，在机械产品设计时，需要采取有效的设计方法，使产品更加科学和完善，提高设计的精准度和计算程度，实现产品设计的创新。

2 传统机械设计的方法

通常情况下，矿山机械设计主要由以下三个阶段。

第一，直觉设计阶段。传统的设计，它更是一种直觉设计，或者是全凭人的直观感觉来进行工具设计，该阶段是人类历史中较为古老的一个时期。

第二，经验设计阶段。该时期是手艺人的联合，彼此之间相互协作，实现经验的交流，然后进行图纸组织生产，是图纸再现的过程，对于经验丰富的手工艺人，可以通过图纸、数据、信息对自己的经验或者是构思进行记录，方便传授。对产品进行不断的分析和改进，满足社会生产对产品的需求，使人类设计活动更加地直观。

第三，半理论半经验设计阶段。自20世纪以来，随着科学信息技术的快速发展，设计基础理论也不断增强。随着理论的探究，理论计算和长期实践不断积累，出现了经验、公式、图表设计手册等，半理论半经验设计阶段主要有理论设计、经验设计以及模型实验设计。首先，对于理论设计来说，它是设计理论和实验设计的融合。按照现有的方法初步设计，然后使用强度计算公式进行工件尺寸的校核。其次，经验设计根据某类零件有的设计方法、以及经验公式进行设计，此类设计方法无法满足市场需求。最后，模型实验设计。对于尺寸较大结构复杂的零件，尤其是重型整体零件，为了不断地提高设计质量，可以采用模型实验设计的方式，通过反复对比以及现有的实验特性进行校验，逐步修改进而完善，这种设计方式叫做模型实验设计。

3 现代机械设计的方法

矿山机械设计现代设计方法，在推动区域经济增长中有着至关重要的作用，它是一种动态、科学的计算方式，学科存在交叉性和综合性，将静态手工的方法转变为科学、动态的计算机方式。常见的有计算机辅助设计，它称之为CAD，能对计算机信息进行处理，全面提高计算的精准度，且数据的存储量巨大，逻辑判断能力强，它和传统的设计方法相比，一方面，显著提高设计效率，有效地缩短产品设计的期限，使机械零件、机械产品及时更新换代。另一方面，它能存储大量的设计经验以及设计信息，能在最短的方案内给予产品不同的设计方案进行方案的对比分析，得到最优方案。在某种程度上，计算机辅助设计和计算机辅助制造能构成计算机集成制造系统，全面提高企业的效益，进行市场预测、产品研发、售后等一系列的工作，在最短范围内实现人力、物力、时间等各类资源的综合使用。

在现代化设计中，还有一种是模块化设计的方式，能在一定范围内对不同功能，相同功能不同规格的产品进行分析，设计出一系列的功能模块，彼此之间相互组合构成不同的产品，更好地满足市场的需求，它和传统设计是不同的。一方面，能有效地减少产品设计和制造的时间，缩短供货周期，能获得更多的潜在客户。另一方面，在进行产品更新换代的同时，能提高企业的市场竞争能力，更好地应对市场发生的变化。不仅能提高产品质量，而且能降低成本，全面增强市场的竞争能力，方便产品维修。如表1所示是传统矿山机械设计以及现代设计方法的对比[1]。

4 现代设计方法在矿山机械设计中的具体应用

4.1 可靠设计

为了实现矿山机械可持续发展，要对矿山机械设计质量和效果进行管控。对于可靠性设计来说，它是衡量产品质量的重要指标可靠形式，即不仅要做实验，还需要对荷载、工况、尺寸、机械材料性能等进行反复的实验对比，为具体数据的排布提高可控提供可靠性依据，由此来确定设备的使用寿命，降低可靠性的环节，提高矿山机械设备质量，保证工人的生命安全[2]。

4.2 CAD 技术

上文提到CAD 技术也称之为计算机辅助技术，它是现代机械方法的重要体现。近年来，在科学技术的推动之下，互联网技术越来越普遍，它被广泛使用在矿山机械行业使用CAD 技术，它能突破矿山机械存在的局限，由于矿山开采本身存在各种各样的危险，再加上环境多变复杂CAD 技术能使矿山开采更加的智能化，提高系统的运行速率和准确率。在机械设计过程中，使用CAD 技术能将矿山机械技术变为施工人员的帮手，不管是在绘图、开采等方面，都能提高操作的安全性和精准性[3]。

4.3 有限元法

矿山机械在进行工作时，它的受力情况并不是一成不变的，由于受到外界因素的干扰，受力情况较为复杂，不能进行有效的计算，这时可以使用有限元法，借助于计算机信息系统，能分辨出设备各个方面的受理情况，找到相应的薄弱点，对产品进行改进，使用有限元法能提高设计速度，优化产品质量。对结构和荷载都能进行全面分析，做好截面的校对工作，提高数据的准确率[4]。

4.4 绿色设计

在现代机械设计中，绿色设计以经济、环保为主，实现设备的可回收、可维护、可重复使用。能降低机械设计对周围生态环境产生的影响，在最大范围内限制了废弃物的排放，此外还能减少矿山的噪音污染。众所周知，矿山机械在运作时，它的功率大，发动机需要较大的动力，这时需要耗费大量的燃油，为了强化节能设计理念，为矿山机械长期发展奠定基础。设计师们应该大胆突破，把关生态信息和科学技术，能有效地降低能源损耗，提高工作效率[5]。

4.5 优化设计

使用最优化设计数学模型，能将设计中存在的问题转化为具体的三维立体模型，通过构建数学模型的方式，实现计算机信息技术和计算机技术的融合，找到最优的解决方案，在设计操作过程中设计问题越复杂，反而越能体现出优化设计产品的使用优势，它能有效地减轻设计人员的负担，推进计算机辅助设计，进而更好地改善产品质量[6]。

5 结语

综上所述，在矿山机械设计时，应该巧用现代机械设计方法，与时俱进，充分使用现有的科学资源，使矿山机械更加智能化、精密化。