碩士研究生讀書報告課程名稱：礦山機械設計理論及應用題目類型：讀書報告學院：機械工程學院專業名稱：機械工程姓名：學號：任課教師：郭永存教授一.中國煤炭機械行業發展概況1.1行業背景我國是世界煤炭第一生產和消費大國，2010年全國煤炭產量就已經超過32億噸，煤炭占我國能源消費總量的近70％，為完成節能減排目標，近年來國家加大了對煤炭行業的調控力度，逐步淘汰技術落后、效率低、資源浪費和污染嚴重的小煤礦，采用高效、環保的新工藝、新設備和新材料改造現有煤礦，建設大型現代化煤礦，通過關停、并、轉為煤炭行業甩掉的老舊包袱，注入了新的動力，實現煤炭生產的可持續性發展。盡管目前中國正處于產業結構調整轉型升級的關鍵時期，加大了水電、風電、核電、太陽能和天然氣等清潔能源的投資開發力度，需要淘汰掉一些落后和過剩的煤炭產能，但是在相當長的一段時間里，煤炭還會在中國一次能源結構中仍然占據大部分比例的事實不會改變，而且產業結構的調整也會促使整個煤炭行業的轉型升級，中國對煤炭的需求量還會長期維持在高位，因此，中國的煤炭工業還會長期處于繁榮期，煤機市場遠景仍潛力巨大。1.2煤機行業發展現狀用于井下綜采工作面的主要煤機設備包括掘進機、液壓支架、采煤機、刨煤機、刮板輸送機、提升設備等。我國煤機制造行業經過幾十年的發展，主要煤機設備的總產量已位居世界前列，特別是以液壓支架、刮板輸送機、采煤機為主的煤炭綜采裝備生產總量已位居世界第一，總結起來要得益于兩個方面：首先，隨著改革開放步伐的不斷加深，我國在各個領域都和國際逐漸接軌我國的煤礦機械也在不斷的發展進步，從最初的引進國外先進技術到逐漸對核心技術進行學習消化和分析，終于走到了如今合作生產以及自主研發設計的地步，這種由簡單的模仿到如今的自主創新研發的改變造就了我國煤炭經濟市場競爭力的上升以及煤礦機械走上不斷的發展創新之路。其次，隨著經濟的迅速發展，煤炭資源的需求數量也在不斷的增加，上世紀末國家決定重點開發晉陜蒙寧地區的煤炭，這些地區的煤炭產量占我國煤炭資源總量的50%左右，并且特別適合大規模的煤礦機械設備開采，隨著煤炭資源開發規模的不斷加大，對煤礦機械設備的需求也在不斷的增加，直接帶動了我國煤礦機械化水平的大幅度提升。目前國內煤礦主要采用國內煤礦機械設備，因為價格具有競爭力同時技術質量和服務也在不斷提升。2003年至2010年國內煤機行業經歷了黃金發展時期，以下是期間國內煤機市場規模：年份20032004200520062007200820092010煤機產量掘進機236497700656972134314771510采煤機253274500596546661723796刮板運輸機35394944532339154872423655406648液壓支架1018117872213122987140660469985297055368煤機消費總量掘進機236497700656972134314771510采煤機253274500596546661723796刮板運輸機35394944532339154872423655406648液壓支架1018117872213122987140660469985297055368煤機銷售金額（萬元）掘進機3540084490126000124640184680255170280630286900采煤機101200123300237500298000300300363550397650437800刮板運輸機60163103824159690195750243600211800277000332400液壓支架142534268080447552746775935180108095412183101273464但是，與整個市場規模不斷擴大、一片繁榮景象形成鮮明對比的是，我國煤機行業的整體技術水平和系統集成能力與德國、美國等發達國家相比，尚存在諸多不足之處，主要表現在以下幾方面：(1)“散”：“散”是自然地域分散，成套化集中生產度低。這主要是計劃經濟時代確定各煤機制造企業的產品定位和分工引起的。煤機企業建廠之初即確定在北京、鄭州生產液壓支架，西安、雞西生產采煤機，張家口、寧夏生產刮板輸送機，佳木斯生產掘進機，并由此派生出今天的中煤北京煤機廠、鄭州煤機廠、西安煤礦機械有限公司、雞西煤礦機械有限公司、中煤張家口煤機廠、寧夏天地奔牛實業集團有限公司、佳木斯煤礦機械有限公司，加上傳統國有大型煤炭企業自行建立的機械修造廠(比如兗礦機械廠)，以及科研院所自主成立的研發和制造企業，因地域、行政隸屬關系、人員等因素，長期以來未能建立大批量、成套集中生產體系的煤機制造集團，生產集中程度低。(2)“亂”：“亂”是指煤機企業眾多，行業自律性差，無序競爭，導致行業整體利潤率逐年下降，嚴重阻礙了行業整體技術水平的提升。目前，國內各類從事煤機制造的企業有4000多家，產品只要通過國家礦用產品安全標志中心的認證就可以進入市場，準入門檻不高，相關標準缺失。另外，近十年我國煤炭工業持續快速發展，煤機行業市場規模急劇擴大，促使大量行業外的資金流入，組建了許多新的煤機企業，規模大大小小，不一而足，越來越多的企業參與到煤機制造行業的市場競爭中。(3)“小”：“小”是國內煤機企業資本規模小，人力資源儲備不足、技術投入比例低、生產設備相對落后，延緩了煤機行業以整體技術、管理、人力資源為核心的整體實力的提升。當然，上述問題出現的原因是多方面的。首先，煤礦機械的自主研發能力仍然不夠強。我國是世界上生產煤炭資源的大國之一，但是我國也是煤炭資源消耗大國，因此煤礦機械的研發制造也應該隨之發展，為煤炭資源的有效開發利用提供強有力的后盾保障，但是我國煤礦機械制造規模雖然得以有效的擴大，但是競爭能力卻比較薄弱，仍舊有很多的核心技術依靠于國外的先進技術"我國具備自主知識產權和核心技術的產品仍舊很少，并且對引進的核心技術仍舊停留在基礎的模仿層面，沒有對引進的先進技術進行研究分析和研發應用，這就難以形成自主研發的良好氛圍。其次，我國的制造工藝技術相對于發達國家來講相對落后，具備很大的發展空間，如果制造工藝技術能夠有效的得以提高就會大幅度提升煤礦機械的發展能力。最后，我國煤礦機械設施的主要性能指標仍舊比較落后，相較于發達國家對煤礦機械制造企業對基礎元件的理論研究，我國則只是追逐實際的應用技術對基礎的理論研究反而不重視，這就導致了在引進的核心技術應用上，我國煤礦機械也只是簡單的仿制外觀對其相應的理論基礎都視而不見，這就造成我國煤礦機械某些基礎原件可靠性不高，使我國的煤礦機械設備在安全可靠性和使用壽命上都存在極大的隱患并且難以滿足大型煤礦的生產效率的要求。1.3煤機行業發展趨勢（1）煤礦機械朝著煤礦機電一體化的發展趨勢隨著煤炭資源重要性的顯現，我國在提高煤炭產量的同時也要對煤礦機械設備進行相應的改善"就目前而言，傳統的煤礦機械已經難以滿足煤炭開采的需要，機電一體化在煤礦機械中的應用越來越顯現出了獨特的優勢，煤礦機械機電一體化的創新能夠大幅度的提升原有的煤礦機械操作水平，使煤炭資源的采掘、運輸都向機電一體化的方向發展，保證煤炭資源的開發能夠更加具有效率并且還能夠增強其安全保證。（2）煤礦機械呈現智能化的發展趨勢煤礦機械制造技術正在不斷的由傳統制造技術向先進制造技術發展，智能化的操作系統也是一門新興技術，其自身的優越性使其使用和發展領域在不斷的擴大，把智能化應用于煤礦機械也具有無窮的生產力，因此應該注重把這些新型科技有機的組合起來，保證煤礦機械的操作控制系統能夠更加精確和智能化，使煤礦機械設備能夠運行的更加協調，使其在煤炭資源的開采中得到有效的利用，在提高煤炭資源產量的同時還能大大增強其安全可靠性。（3）煤礦機械主動預防性維護技術的發展趨勢煤礦機械的安全運行是維護煤礦企業正常生產的基本前提，對這些大型煤礦機械的基礎檢修是一項非常重要的工作"我國對煤礦機械的檢修方式大多是事后維修和定期檢修，這種檢修方式在煤礦企業的現代化生產中已經逐漸顯現出其弊端，針對這種問題，目前對新型煤礦機械的研究已經使用了實時狀態監測維修這一機制，這種主動預防性維護技術能夠有效的根據煤礦機械設備的系統根源性參數來判斷煤礦機械的運轉是否正常，如果出現異常狀況用過相應手段對根源性異常參數進行糾正就能夠使煤礦機械的無故障工作時間得以延長，還能夠有效的維護煤礦機械設備各個部件的使用壽命。二.現代設計方法在礦山機械設計中的應用2.1現代設計方法及理論概述現代設計理論和方法是現代設計方法學、計算機輔助設計技術、可靠性設計技術、有限元方法、工業造型設計等多種學科的交叉與融合。例如，可靠性設計涉及設計、生產、使用、管理、貯存、運輸等各個環節，是將計算力學、失效物理和機械學等相結合起來的一門綜合性很強的科學。尤其是計算機技術和網絡信息技術的飛速發展，使人們的設計思想和方法有了飛躍的變化，工程技術人員的設計效率也得到大大提高，設計手段更加精確，設計方法更加現代化，設計方式由傳統的串行設計發展為并行設計，并且使得企業的組織模式發生改變，管理水平提高，實現優勢互補和資源共享。2.2現代設計方法及理論應用（1）CAD技術CAD（計算機輔助設計）是一種利用計算機硬、軟件系統輔助人們對產品或工程進行設計的方法與技術，包括設計、繪圖、工程分析與文檔制作等設計活動。煤礦機械產品已經比較成熟，在設計中應用CAD技術可實現模塊化設CAD/CAE/CAM一體化設計，CAPP存在于計算機內的產品模型可直接進入系統進行工藝規劃和NC編程，進而加工代碼可直接傳入NC機床、加工中心進行加工。產品CAD技術加強了設計與制造2個環節的連接，提高了產品開發的效率，大大縮短了產品開發周期，這對于煤礦機械產品的設計來說采用CAD進行計算機輔助設計效益較為顯著。（2）有限元法有限元法是以計算機作為計算工具的現代數值計算方法，它的求解思路是將復雜的無限個質點的連續彈性體簡化為有限個單元組成的集合體，對這些單元體進行求解，再將各單元拼合成離散的結構物，以代替原來的連續彈性體。它既可分析工程中復雜非線性問題、非穩態問題的求解，又可用于工程中復雜結構的靜力分析和動力分析。目前已有許多成熟的大型有限元分析軟件如ANSYS、I-deas煤礦機械受力的復雜性正好適用于有限元法來分析。例如，在對石橋煤礦設計其托罐裝置時，橫梁處采用了有限元法確定其應力分布狀態，可直觀地分析其薄弱環節。（3）可靠性設計可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力，它是衡量產品質量的一個重要指標。機械可靠性設計的基礎是所用的設計變量都是經過多次試驗測定的實際數據，經過統計檢驗后得到的統計量。為了提高煤礦機械的性能和運行的可靠性，進行可靠性設計。對載荷、材料的機械性能、幾何尺寸、工況變化，以及其他不確定因素的存在，如載荷譜的簡化、力學模型的簡化，這些變量在可靠性設計中都認為是隨機變量、模糊變量，對這些隨機變量和模糊變量進行試驗與統計分析，給出具體的分布類型與參數，為其可靠性提供必要的數據，以充分保證機械零部件的可靠度，從而提高煤礦機械設備的壽命，提高煤礦生產安全和礦工人身安全。（4）優化設計優化設計是據一般的設計理論、設計方法，遵循設計規范和國家標準等，把工程設計問題按實際需要轉換成數學模型，然后應用優化技術和計算技術，從眾多可用設計方案中找出最優的設計方案。優化設計技術可提高產品設計水平、改進產品質量、推進計算機輔助設計具有重要作用。例如，對煤礦機械設備中的帶式輸送機中應用多目標優化設計，可優化V帶根數、帶輪直徑和結構。在設計階段越早應用優化設計，就越能顯示出采用優化設計對產品設計的優勢。（5）綠色設計綠色設計是以環境資源保護為核心概念的設計過程，它要求在產品的整個壽命周期內把產品的基本屬性和環境屬性緊密結合，在進行設計決策時，除滿足產品的物理目標外，還應滿足環境目標以達到優化設計要求。綠色設計要求產品在設計時具有優良的環境友好性，對環境的污染做到最小或者無污染；要求最大限度地利用材料資源，在滿足產品基本功能的前提條件下，盡量簡化結構，合理使用材料，并使材料能最大限度地再利用；要求能最大限度地節約能源，使能源消耗最少。（5）人機工程設計技術人機工程設計技術是以人機工程學理論為基礎的面向人的產品設計技術。人機工程依據人的心理和生理特征，利用科學技術成果和數據去設計的技術系統，使之符合人的使用要求，改善環境，優化人機系統，使之達到最佳配合，以最小的勞動代價換取最大的經濟成果。人機工程設計的目標是在系統約束條件下，提高工作的有效性，提高生產率及質量，減少操作者可能出現的失誤、降低操作者體力和腦力消耗，盡可能地適合不同水平的操作者使用，以達到人機系統的最佳效率與效能。煤礦機械設備的安全尤為重要，因此在產品的設計過程中更應突出其人性化設計，充分考慮人的因素，把人放到人—機—環境這樣一個系統中來研究。（6）其他現代設計理論和方法現代設計理論和方法種類很多，如并行設計、摩擦學設計、智能設計、面向制造的設計、全壽命周期設計、快速響應設計、創新設計等，在進行煤礦機械產品設計時，應充分利用相關的先進設計理論和方法，不斷提高設計水平，為煤礦生產提供優良的設備。三.課程總結為期九周的礦山機械設計理論及其應用的課程結束了，令人印象深刻的是任課教師郭永存教授將