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1、 硕士研究生读书报告课程名称： 矿山机械设计理论及应用 题目类型： 读 书 报 告 学 院： 机械工程学院 专业名称： 机械工程 姓 名： 学 号： 任课教师： 郭永存教授 一.中国煤炭机械行业发展概况1.1行业背景 我国是世界煤炭第一生产和消费大国，2010年全国煤炭产量就已经超过32亿吨，煤炭占我国能源消费总量的近70，为完成节能减排目标，近年来国家加大了对煤炭行业的调控力度，逐步淘汰技术落后、效率低、资源浪费和污染严重的小煤矿，采用高效、环保的新工艺、新设备和新材料改造现有煤矿，建设大型现代化煤矿，通过关 停、并、转为煤炭行业甩掉的老旧包袱，注入了新的动力，实现煤炭生产的可持续性发展。尽
2、管目前中国正处于产业结构调整转型升级的关键时期，加大了水电、风电、核电、太阳能和天然气等清洁能源的投资开发力度，需要淘汰掉一些落后和过剩的煤炭产能，但是在相当长的一段时间里，煤炭还会在中国一次能源结构中仍然占据大部分比例的事实不会改变，而且产业结构的调整也会促使整个煤炭行业的转型升级，中国对煤炭的需求量还会长期维持在高位，因此，中国的煤炭工业还会长期处于繁荣期，煤机市场远景仍潜力巨大。1.2煤机行业发展现状 用于井下综采工作面的主要煤机设备包括掘进机、液压支架、采煤机、刨煤机、刮板输送机、提升设备等。我国煤机制造行业经过几十年的发展，主要煤机设备的总产量已位居世界前列，特别是以液压支架、刮板输
3、送机、采煤机为主的煤炭综采装备生产总量已位居世界第一，总结起来要得益于两个方面： 首先，随着改革开放步伐的不断加深，我国在各个领域都和国际逐渐接轨我国的煤矿机械也在不断的发展进步，从最初的引进国外先进技术到逐渐对核心技术进行学习消化和分析，终于走到了如今合作生产以及自主研发设计的地步，这种由简单的模仿到如今的自主创新研发的改变造就了我国煤炭经济市场竞争力的上升以及煤矿机械走上不断的发展创新之路。其次，随着经济的迅速发展，煤炭资源的需求数量也在不断的增加，上世纪末国家决定重点开发晋陕蒙宁地区的煤炭，这些地区的煤炭产量占我国煤炭资源总量的50%左右，并且特别适合大规模的煤矿机械设备开采，随着煤炭资
4、源开发规模的不断加大，对煤矿机械设备的需求也在不断的增加，直接带动了我国煤矿机械化水平的大幅度提升。 目前国内煤矿主要采用国内煤矿机械设备，因为价格具有竞争力同时技术质量和服务也在不断提升。2003年至2010年国内煤机行业经历了黄金发展时期，以下是期间国内煤机市场规模：年份20032004200520062007200820092010煤机产量掘进机236497700656972134314771510采煤机253274500596546661723796刮板运输机35394944532339154872423655406648液压支架1018117872213122987140660469
5、985297055368煤机消费总量掘进机236497700656972134314771510采煤机253274500596546661723796刮板运输机35394944532339154872423655406648液压支架1018117872213122987140660469985297055368煤机销售金额（万元）掘进机3540084490采煤机刮板运输机60163液压支架 但是，与整个市场规模不断扩大、一片繁荣景象形成鲜明对比的是，我国煤机行业的整体技术水平和系统集成能力与德国、美国等发达国家相比，尚存在诸多不足之处，主要表现在以下几方面：(1)“散”：“散”是自然地域分散，
6、成套化集中生产度低。这主要是计划经济时代确定各煤机制造企业的产品定位和分工引起的。煤机企业建厂之初即确定在北京、郑州生产液压支架，西安、鸡西生产采煤机，张家口、宁夏生产刮板输送机，佳木斯生产掘进机，并由此派生出今天的中煤北京煤机厂、郑州煤机厂、西安煤矿机械有限公司、鸡西煤矿机械有限公司、中煤张家口煤机厂、宁夏天地奔牛实业集团有限公司、佳木斯煤矿机械有限公司，加上传统国有大型煤炭企业自行建立的机械修造厂(比如兖矿机械厂)，以及科研院所自主成立的研发和制造企业，因地域、行政隶属关系、人员等因素，长期以来未能建立大批量、成套集中生产体系的煤机制造集团，生产集中程度低。(2)“乱”：“乱”是指煤机企业
7、众多，行业自律性差，无序竞争，导致行业整体利润率逐年下降，严重阻碍了行业整体技术水平的提升。目前，国内各类从事煤机制造的企业有4000多家，产品只要通过国家矿用产品安全标志中心的认证就可以进入市场，准入门槛不高，相关标准缺失。另外，近十年我国煤炭工业持续快速发展，煤机行业市场规模急剧扩大，促使大量行业外的资金流入，组建了许多新的煤机企业，规模大大小小，不一而足，越来越多的企业参与到煤机制造行业的市场竞争中。(3)“小”：“小”是国内煤机企业资本规模小，人力资源储备不足、技术投入比例低、生产设备相对落后，延缓了煤机行业以整体技术、管理、人力资源为核心的整体实力的提升。 当然，上述问题出现的原因是
8、多方面的。首先，煤矿机械的自主研发能力仍然不够强。我国是世界上生产煤炭资源的大国之一，但是我国也是煤炭资源消耗大国，因此煤矿机械的研发制造也应该随之发展，为煤炭资源的有效开发利用提供强有力的后盾保障，但是我国煤矿机械制造规模虽然得以有效的扩大，但是竞争能力却比较薄弱，仍旧有很多的核心技术依靠于国外的先进技术我国具备自主知识产权和核心技术的产品仍旧很少，并且对引进的核心技术仍旧停留在基础的模仿层面，没有对引进的先进技术进行研究分析和研发应用，这就难以形成自主研发的良好氛围。其次，我国的制造工艺技术相对于发达国家来讲相对落后，具备很大的发展空间，如果制造工艺技术能够有效的得以提高就会大幅度提升煤矿
9、机械的发展能力。最后，我国煤矿机械设施的主要性能指标仍旧比较落后，相较于发达国家对煤矿机械制造企业对基础元件的理论研究，我国则只是追逐实际的应用技术对基础的理论研究反而不重视，这就导致了在引进的核心技术应用上，我国煤矿机械也只是简单的仿制外观对其相应的理论基础都视而不见，这就造成我国煤矿机械某些基础原件可靠性不高，使我国的煤矿机械设备在安全可靠性和使用寿命上都存在极大的隐患并且难以满足大型煤矿的生产效率的要求。1.3煤机行业发展趋势（1）煤矿机械朝着煤矿机电一体化的发展趋势 随着煤炭资源重要性的显现，我国在提高煤炭产量的同时也要对煤矿机械设备进行相应的改善就目前而言，传统的煤矿机械已经难以满足
10、煤炭开采的需要，机电一体化在煤矿机械中的应用越来越显现出了独特的优势，煤矿机械机电一体化的创新能够大幅度的提升原有的煤矿机械操作水平，使煤炭资源的采掘、运输都向机电一体化的方向发展，保证煤炭资源的开发能够更加具有效率并且还能够增强其安全保证。（2）煤矿机械呈现智能化的发展趋势 煤矿机械制造技术正在不断的由传统制造技术向先进制造技术发展，智能化的操作系统也是一门新兴技术，其自身的优越性使其使用和发展领域在不断的扩大，把智能化应用于煤矿机械也具有无穷的生产力，因此应该注重把这些新型科技有机的组合起来，保证煤矿机械的操作控制系统能够更加精确和智能化，使煤矿机械设备能够运行的更加协调，使其在煤炭资源的
11、开采中得到有效的利用，在提高煤炭资源产量的同时还能大大增强其安全可靠性。（3）煤矿机械主动预防性维护技术的发展趋势 煤矿机械的安全运行是维护煤矿企业正常生产的基本前提，对这些大型煤矿机械的基础检修是一项非常重要的工作我国对煤矿机械的检修方式大多是事后维修和定期检修，这种检修方式在煤矿企业的现代化生产中已经逐渐显现出其弊端，针对这种问题，目前对新型煤矿机械的研究已经使用了实时状态监测维修这一机制，这种主动预防性维护技术能够有效的根据煤矿机械设备的系统根源性参数来判断煤矿机械的运转是否正常，如果出现异常状况用过相应手段对根源性异常参数进行纠正就能够使煤矿机械的无故障工作时间得以延长，还能够有效的维
12、护煤矿机械设备各个部件的使用寿命。二.现代设计方法在矿山机械设计中的应用 2.1现代设计方法及理论概述 现代设计理论和方法是现代设计方法学、计算机辅助设计技术、可靠性设计技术、有限元方法、工业造型设计等多种学科的交叉与融合。例如，可靠性设计涉及设计、生产、使用、管理、贮存、运输等各个环节，是将计算力学、失效物理和机械学等相结合起来的一门综合性很强的科学。尤其是计算机技术和网络信息技术的飞速发展，使人们的设计思想和方法有了飞跃的变化，工程技术人员的设计效率也得到大大提高，设计手段更加精确，设计方法更加现代化，设计方式由传统的串行设计发展为并行设计，并且使得企业的组织模式发生改变，管理水平提高，实
13、现优势互补和资源共享。2.2 现代设计方法及理论应用（1）CAD技术 CAD（计算机辅助设计）是一种利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。煤矿机械产品已经比较成熟，在设计中应用CAD技术可实现模块化设CAD/CAE/CAM一体化设计，CAPP存在于计算机内的产品模型可直接进入系统进行工艺规划和NC编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。产品CAD技术加强了设计与制造2个环节的连接，提高了产品开发的效率，大大缩短了产品开发周期，这对于煤矿机械产品的设计来说采用CAD进行计算机辅助设计效益较为显著。（2）有限元
14、法 有限元法是以计算机作为计算工具的现代数值计算方法，它的求解思路是将复杂的无限个质点的连续弹性体简化为有限个单元组成的集合体，对这些单元体进行求解，再将各单元拼合成离散的结构物，以代替原来的连续弹性体。它既可分析工程中复杂非线性问题、非稳态问题的求解，又可用于工程中复杂结构的静力分析和动力分析。目前已有许多成熟的大型有限元分析软件如ANSYS、I-deas煤矿机械受力的复杂性正好适用于有限元法来分析。例如，在对石桥煤矿设计其托罐装置时，横梁处采用了有限元法确定其应力分布状态，可直观地分析其薄弱环节。 （3）可靠性设计 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，它是衡量产品质量
15、的一个重要指标。机械可靠性设计的基础是所用的设计变量都是经过多次试验测定的实际数据，经过统计检验后得到的统计量。为了提高煤矿机械的性能和运行的可靠性，进行可靠性设计。对载荷、材料的机械性能、几何尺寸、工况变化，以及其他不确定因素的存在，如载荷谱的简化、力学模型的简化，这些变量在可靠性设计中都认为是随机变量、模糊变量，对这些随机变量和模糊变量进行试验与统计分析，给出具体的分布类型与参数，为其可靠性提供必要的数据，以充分保证机械零部件的可靠度，从而提高煤矿机械设备的寿命，提高煤矿生产安全和矿工人身安全。（4）优化设计 优化设计是据一般的设计理论、设计方法，遵循设计规范和国家标准等，把工程设计问题按
16、实际需要转换成数学模型，然后应用优化技术和计算技术，从众多可用设计方案中找出最优的设计方案。优化设计技术可提高产品设计水平、改进产品质量、推进计算机辅助设计具有重要作用。例如，对煤矿机械设备中的带式输送机中应用多目标优化设计，可优化V带根数、带轮直径和结构。在设计阶段越早应用优化设计，就越能显示出采用优化设计对产品设计的优势。（5）绿色设计 绿色设计是以环境资源保护为核心概念的设计过程，它要求在产品的整个寿命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合，在进行设计决策时，除满足产品的物理目标外，还应满足环境目标以达到优化设计要求。绿色设计要求产品在设计时具有优良的环境友好性，对环境的污染做到最小或
17、者无污染；要求最大限度地利用材料资源，在满足产品基本功能的前提条件下，尽量简化结构，合理使用材料，并使材料能最大限度地再利用；要求能最大限度地节约能源，使能源消耗最少。（5）人机工程设计技术 人机工程设计技术是以人机工程学理论为基础的面向人的产品设计技术。人机工程依据人的心理和生理特征，利用科学技术成果和数据去设计的技术系统，使之符合人的使用要求，改善环境，优化人机系统，使之达到最佳配合，以最小的劳动代价换取最大的经济成果。人机工程设计的目标是在系统约束条件下，提高工作的有效性，提高生产率及质量，减少操作者可能出现的失误、降低操作者体力和脑力消耗，尽可能地适合不同水平的操作者使用，以达到人机系
18、统的最佳效率与效能。煤矿机械设备的安全尤为重要，因此在产品的设计过程中更应突出其人性化设计，充分考虑人的因素，把人放到人机环境这样一个系统中来研究。（6）其他现代设计理论和方法 现代设计理论和方法种类很多，如并行设计、摩擦学设计、智能设计、面向制造的设计、全寿命周期设计、快速响应设计、创新设计等，在进行煤矿机械产品设计时，应充分利用相关的先进设计理论和方法，不断提高设计水平，为煤矿生产提供优良的设备。三.课程总结 为期九周的矿山机械设计理论及其应用的课程结束了，令人印象深刻的是任课教师郭永存教授将理论和实践相结合的教学方法，不仅有系统的矿山机械理论知识的讲解，而且将课堂拓展出了教室，利用每两周
19、一次课外参观地方煤机企业的机会使每一个学生有了将理论和实践相互结合的机会。 在此期间，于我个人而言觉得还是收益良多，首先是系统的学习的现代煤矿生产的组织方式和采煤工艺流程，在课堂上郭永存教授对工作面采掘设备、井下支护设备、煤矿井下运输设备、矿井提升设备以及其他生产辅助设备进行的全面的耐心细致的讲解，虽然在本科阶段也曾学习过矿山机械相关的知识但是没有这次课程中的全面细致，而且在这次课程的学习中郭永存教授不仅仅局限于对不同设备机械结构的讲解，同时融入了一些设计的思路和方法，与生产实际结合也更加紧密。通过这次课程的学习既是对过去学习的回顾和总结，更是为今后深入的学习研究与自己课题方向相关的煤矿机械设备打下了坚实的基础。此外，通过每两周一次的实地参观学习淮南长壁机械、淮南佳园重工等煤机企业，更加直观形象深刻的学习了解了不同煤机企业的生产工艺和生产的组织方式。最后，向郭永存教授在此次课程中对于2013级全体研究生的的辛勤付出表示由衷的感谢。参考目录：1. 煤炭机械行业研究报告2010.机械工业协会2. 我国煤矿机械发展现状及发展趋势J.刘岩等.价值导报2003(4):7-93. 分析现代设计理论和方法在煤矿机械设计中的应用J.高焕等.煤炭科技2013(5):324. 现代设计理论和方法在煤矿机械设计中的应用J.魏军英等.煤矿机械2007(4):28