新一代煤矿机械设计制造技术的研究实践
中国工具网 发布时间:2010/02/24
近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司所属机械制修厂、综机设备租赁站和兖州煤矿机械厂针对以前在煤矿机械设计与制造方面存在的问题进行了认真分析和归纳，并且与有关单位共同开展了科技攻关，积极应用当前已有的机械设计与制造适用新技术，提出解决方案并进行了实施，极大地提高了煤矿机械设计与制造的水平。现将有关情况简单介绍如下。
1 应用先进制造技术改造传统煤矿机械制造企业
兖州矿业（集团）公司机械制修厂建立与应用了先进制造技术的理念，在强调人的作用和做到人、技术、管理三者有机结合的基础上，对传统的制造技术进行了改造。他们采取了并行工程的方法，设立虚拟公司、组成动态联盟，显著地提高了本厂的综合效益。
这里仅以对传统的制造技术进行改造为例加以说明：该厂90%以上的设备都是普通设备，与先进制造技术要求的设备差距太大。经过深入的研究分析，他们认为通过少量的投资，对原有的普通设备进行数控改造是完全可能的。因此，自1999年以来，该厂先后对制造分厂的1台落地镗铣床及一批C630车床开展了数控改造，再加上新购置的液压缸生产线（全部为数控设备），从而极大地增强了液压支架的生产能力。
2 机械优化设计的数学建模及求解
兖州矿业（集团）公司机械制修厂从设计变量的选择、目标函数的建立、约束条件的确定、数学模型的尺度变换、数据表和线图资料的使用、优化结果的分析与处理等方面对机械优化设计的数学建模和求解问题进行了研究，并且取得了明显的效果。
机械设计领域的限制是多种多样的，但是归根结底都可以归属于两大类：第一类性态约束是预测可能被破坏或者失效的特性，具体表现为设计对象的某项性能指标，一般也可以当作目标函数来处理。从计算的角度上来讲，性态约束的检验相对比较容易处理，可以利用目标函数和设计约束相互置换的特点，根据具体的要求更加灵活地处理和利用。第二类边界约束用来规定设计变量的取值范围。为了能够进行定量处理，不论哪一类约束条件都必须是可以计算的函数。
在确定约束函数的时候应当特别注意以下几点：
①避免出现矛盾约束。各种约束构成的可行域优化模型一旦形成以后，求解的任务就是在可行域内寻找最优解，若有矛盾约束很有可能使可行域成为空集。
②避免可行域无界。一般说来，可行域应当是n维空间的闭域；在可行域为开域（无界）的时候，若目标函数值向无界方向下降而且趋于∞就不可能找到极值点。
③尽量避免等价约束（多余约束）和相关约束。在建立比较复杂模型的时候，出于工程的保险考虑往往力图加入尽量多的约束，以保证不出现难以预料和实施的优化结果。另一种是相关约束，即一个约束是其它几个约束的某种组合（线性或者非线性），也导致了不必要的约束增多，实际上相关约束也是一种特殊的多余约束，可能导致广义函数的性态变差，从而收敛困难。
④不能漏掉必须的约束。剔除多余约束的前提是要对约束是否多余有充分的把握，否则不要轻易这样做。因为漏掉必不可少的约束从而导致设计失败的例子并不少见，优化设计工作者要从中吸取教训。
3 从采煤机的外观看煤矿机械的造型设计
造型设计是决定煤矿机械外观质量的重要因素。华北科技学院和兖州矿业（集团）公司机械制修厂从分析采煤机的造型设计入手, 找出了我国煤矿机械外观质量的不足，强调了提高煤矿机械外观质量应当考虑的问题。
双滚筒采煤机由于其特殊的功能要求，左右两边的体量完全对称，产生了强烈的均衡感，造型的感觉比较庄重，增加了机械的稳定感。同时，对称的形式极容易将人的视觉中心吸引到对称线上，把采煤机的控制面板和各种操作手柄都配置在对称线附近，达到了高度的和谐。所有这些特点都符合人们对煤矿机械的心理需求。虽然采煤机的整体布局已经符合美学设计的理论，但是其外观的质量还有待于提高。
采煤机是与刮板输送机配合工作的。采煤机骑在刮板输送机上并且沿着工作面移动。采煤机的整体轮廓线形为水平直线，线形与这一状态相符合。然而，因为采煤机的体积庞大，其在被牵引的过程中给人的感觉是十分费力，容易给现场人员造成压力。若在造型上改变中间箱和电动机箱两端的固定减速箱外部线形，使其具有一定的斜度，增加斜面的造型，就可以加大速度感，又可以丰富造型的线形变化，增强造型的生动性。
采煤机工作环境恶劣，振动比较大，这就使得其外观覆盖板材的厚度大，而且大多数都采用焊接的方法。在满足强度的前提下，可以考虑采用冲压成型代替焊接成型，这样消除了生硬的棱角，取而代之的是光滑的圆弧过渡，让人的心理产生亲近之感，同时也避免了焊缝对于表面质量的不良影响。采煤机下部所用的颜色感要强，如黑、深灰等，但是面积不宜过大；上部宜采用明快的颜色，以便上下协调，产生稳定感，但是不能一律采用“工程黄”，要力求多样化，体现不同机型和厂家的个性。
4 提高煤矿机械产品的外观质量
目前我国生产的煤矿机械产品中，有不少是技术性能尚且可以，但是对外观质量重视不够。例如，表面涂漆不均，颜色以灰黑为主；厂标指示牌以及标准件等歪斜不正、大小不一；飞边毛刺不除，矿工都不敢用手摸等。为此，兖州煤矿机械厂开展了这方面的研究，认为不仅外观质量对于煤矿机械产品质量是有影响的，而且其外观色彩对于外观质量也是有影响的，因此必须要加强煤矿机械产品外观设计理念的创新才行。
许多煤矿机械产品的“宜人性”设计考虑很少：操纵机构不集中，操作人员围着机器转着操作，其疲劳程度可想而知；操纵手柄的方向和机器运动方向不一致甚至相反，操作者思想紧张极容易酿成事故；有的机器尺寸和比例不适合我国的人体尺度要求，过高或者过矮而导致抬腿弯腰操作；手柄过沉，扳动费力极其累人；有的机器温度高、振动大，操作者头昏心跳加快。这些都需要在产品设计中应用人体工程学和工程心理学加以解决。
另一方面，造型的色彩对煤矿机械产品的外观质量有着直接的影响。它起着美化产品和环境的作用，色彩处理得好能够使得造型更加完美，有利于提高工作质量和效率。相反，处理不当不但会破坏机器造型的完美，还会使得操作者视觉疲劳、情绪不安、降低生产效率并且容易引发事故的发生。所以，视觉和心理效果在煤矿机械产品的设计中是不应当忽视的一个方面。此外，可能有的厂家认为用中文书写不美观，所以许多在本国销售的机器也要印上一大堆外文（除了汉语拼音以外），给使用者带来不便。在煤矿机械产品的艺术造型设计中不能够局限于仿造，只有不断地创新才能够创造出具有煤矿机械独特艺术风格和新颖美丽的产品。
5 PDM在煤矿机械制造中的实施
兖州煤矿机械厂的主要工艺特点是小批量、多品种和基本上按照订单生产，使企业内部形成了一个个信息“孤岛”。为了解决这个问题，他们和有关单位合作建设了PDM系统，建立了以产品数据为核心的信息链，缩短了技术数据准备周期，提高了生产作业计划的准确性和及时性，增强了企业信息资源的共享，并支持企业进行产品优化和系列化设计，提高了设计效率和企业资源的综合利用程度。
PDM系统的实施势必导致企业业务过程的再造。他们清楚地认识到如果在原有的流程上直接实施PDM，不仅不能起到改善管理的作用，而且部门之间的障碍和繁琐的审批流程会使系统的运行受到重重抵触。因此，实施PDM必须重组企业组织结构、简化业务流程；同时，围绕PDM系统的运行制定新的规章制度，如数据归档的流程、更改通知和发放的流程、临时更改的流程和打印控制流程等。企业成立了编码中心，全厂范围内统一编码。随着PDM系统的应用，实现了以纸质文档为主向以电子文档为主的转移，企业档案室的职能也发生了相应的变化。
PDM的实施大大提高了信息传递的效率和信息的利用率。随着PDM系统的实施，散布在企业中的各个信息孤岛被连成一体，在设计、工艺、计划、生产、车间、财务、销售、外贸和售后等部门之间建立了一条完整的信息链，形成了一动全动、一有全有的协同工作环境，逐步建立起敏捷制造、快速响应的企业网络。通过和CAPP的集成，在产品结构树建立后，融合零件相关工艺信息进行工艺信息汇总，产生加工路线、加工设备、工时花费、材料消耗及成本计价等一系列统计信息，为上游生产计划和下游加工制造、财务核算提供数据。
6 煤机制造中的工装设计与管理
中国矿业大学和兖州矿业（集团）公司综机设备租赁站通过对煤机制造中工装设计和管理现状的分析，提出了以计算机为工具，应用成组技术进行工装设计和管理的方法。
由于我国煤矿机械制造厂现行的工装设计是按产品分类存档的，无具体的工装特征，在进行新工装设计时要查找同类型工装图十分不便。此外，大多数煤矿机械产品的批量都不是很大，这就使得为其服务的工装利用率不高。按照上述方式进行工装设计管理，必然会导致工装中元部件甚至是整套工装的重复设计。另外，由于每个设计人员的实践经验和设计能力、熟练程度的不同，还会导致工装设计的多样性，设计时间和质量不易保证，因而降低了工装设计的可靠性。在工装设计管理中应用成组技术，就是通过对企业中已设计制造过的工装及其零部件编码分组，建立起设计图纸和资料的检索系统。
当设计一套新的工装时，设计人员将要设计工装或零部件的构思转化成相应的分类代码，然后按此代码对其所属工装或零部件组的设计图纸和资料进行检索，从中选择可直接采用或稍加修改便可采用的原有工装或零部件图。只有当原有图纸均不能利用时，才重新设计新的工装或零部件。应用乘组技术进行工装设计管理，最关键的问题是处理大量信息，即利用计算机进行分类编码，建立各类信息库，开发工装设计的计算机管理系统来完成此项工作，该管理系统包含自动编码（包括建立原始资料库）、工装图纸及资料检索、元部件图纸及资料检索、标准件图纸及资料检索、已有工装现状及管理、工装设计计算（包括工装的验证、周检和使用状况）等子系统，便可简捷而有序地进行工装的设计工作。
7 影响齿轮表面粗糙度的因素及改善措施
兖州煤矿机械厂通过研究滚刀积屑瘤对齿面粗糙度的影响，分析了影响齿轮表面粗糙度的因素，并且找出了改善的措施。
滚齿加工是剃齿和磨齿等的预加工工序，在齿轮制造业中是应用最广泛的加工方法。在滚齿加工中，若齿面粗糙度大，不仅给剃齿等加工造成不便，而且不能保证齿面的许用应力。另外，即使用珩齿、研齿等方法来改善齿面的粗糙度，也会使齿形变坏。为了保证剃齿精度、提高生产效率和延长剃刀寿命，滚齿必须提供复合精度要求、剃量最小和有一定粗糙度要求的预切齿轮，在大批量齿轮生产的滚齿切削中，低速切削时的滚刀切削刃积屑瘤是严重影响齿面粗糙度的一个主要原因，而积屑瘤的大小又和切削厚度密切相关。因此，他们从滚刀的外径、头数、齿槽数和被滚削齿轮的齿数、螺旋角等参数以及走刀量、走刀方向、切削深度等切削条件，找出切削厚度与粗糙度的关系和规律，从而由切削厚度就可以清楚地知道滚切时齿面粗糙度的大小。
对不同材质的螺旋斜齿轮，则采用不同的滚刀齿槽数和切削厚度，探索它们与齿面粗糙度的关系，总结出改善齿面粗糙度的方法；滚刀和齿轮螺旋角方向相同时宜采用顺滚，反之宜采用逆滚；在最大切削厚度范围内，宜采用大的正前角滚刀；尽可能增加滚刀的齿槽数；合理选择切削液，减少积屑瘤的产生。另外，为了克服锻坯正火后低硬度材质的齿轮由于硬度偏低且不均匀而导致组织松软、散热性能较差、容易产生积屑瘤的缺点，还采用了降低滚刀转速、提高滚刀垂直走刀量、减少第二刀留量、视加工情况采用轴向移刀齿等措施，基本消除滚齿齿面拉撕现象，为剃齿工序打下了良好的基础。
8 焊缝自动跟踪技术的研究
中国矿业大学和兖州矿业（集团）公司机械制修厂开展了焊缝自动跟踪技术的研究。
焊缝自动跟踪技术在焊接工业中具有非常重要的地位。焊缝自动跟踪系统是由传感器、调节器和执行机构三个部分组成的闭环反馈系统。焊缝自动跟踪系统是一定程度上的智能系统，研究这样的系统，其关键在于需要解决三个方面的问题：自动跟踪传感器——研究最佳的传感方式，使系统具有最强的实时性；控制器——设计功能强、成本低的控制器硬件，研究最合理有效的协调各自由度运动控制的原理与方法；执行机构——研究最合理的自由度配置形式及结构，以保证机构最为轻便、运动灵活。焊缝跟踪系统中最常采用的伺服电动机主要有步进电动机、直流伺服电动机、无刷直流伺服电动机和交流伺服电动机等。在近年开发的焊缝跟踪系统中，步进电动机已经逐步被淘汰，逐渐采用直流伺服电动机和无刷直流伺服电动机。
对于焊缝跟踪执行机构的机械装置最重要的是行走机构，其灵活性和稳定性对跟踪精度起着很重要的作用。车轮式移动装置机构简单、动作稳定灵活，最适合于平地行走，很多焊缝跟踪执行机构都应用车轮式结构。车轮式结构分为三轮式、四轮式和六轮式结构。三轮式机构的特点是控制和操纵较简单，但旋转中心与车体中心不一致，而六轮式机构控制和操纵较复杂，因此在焊接和其它行业大多采用四轮式移动机构。随着焊接机器人技术的不断发展，机械手机构被广泛用于焊缝自动跟踪机构。模糊控制和神经网络在焊缝跟踪方面各有优缺点。将专家系统作为自适应单元、模糊控制作为决策单元、神经网络作为补偿单元，是当前智能控制发展最有潜力的方法，三者结合使控制系统具有更强的自适应、自学习、自组织和更好的控制品质。
9 焊接结构件变形火焰矫正方法
中国矿业大学和兖州矿业（集团）公司机械制修厂对焊接结构件变形的火焰矫正方法进行了研究。
结构件焊接以后的变形矫正是结构件制作过程中的一个难题。焊接结构件变形最根本的原因就是焊接过程中受热不均匀使整个结构件局部产生应力集中，火焰矫正就是利用钢材在受热后能够产生应力变化而使整个结构件应力重新分布达到矫正的目的。因此，如何矫正就变成了寻找应力集中点并且使用何种加热方式使应力按要求释放的问题。这也是火焰矫正工艺制定的关键。
几种常见的变形及其矫正方法如下：
①结构件顶板或底板局部隆起一般采用点状加热方式。点状加热俗称蜂窝加热，即火焰加热是有规律排列的点。它的加热区域在一定直径的圈内，根据结构的特点和变形情况可以适当地调整加热点数和加热点的直径。如果变形范围大则加热点数就要多而且点于点之间的距离也要小，板的厚度大则加热直径就要大。多点加热的时候一般排列成梅花状。隆起部分被加热温度不断升高，热应力不断增大，由于受到周围区域冷金属的阻碍而不能向外膨胀，但是这部分金属在冷却的时候要收缩，于是产生了与集中的应力相反的应力从而使得变形得以消除。注意点是要在隆起的一面加热并且控制好加热的温度。
②对于槽形结构局部向上弯曲的变形，矫正的时候可以在腹板的两侧向一个方向进行线状摆动，加热的宽度视变形的大小和钢板的厚度而定。线状加热就是将火焰沿着直线方向移动、同时作一定的横向或者循环摆动。
③对于丁字形筋板来说，由于此种结构的应力主要集中在筋板处，在变形处加热所产生的应力不仅不能将此应力抵消并且还会产生更大的应力和变形，所以直接在变形点加热反而会导致变形加大。
10 特大型箱形井架的制造
兖州矿业（集团）公司机械制修厂研究了焊接坡口形式、焊接变形与焊接工艺等对箱型井架制造焊接质量的影响，并对焊接坡口形式、影响焊接变形的因素等进行了工艺试验，制定出合理的制造工艺和完善的工艺规程，制造出了一批高质量的箱形井架。
赵楼煤矿主、副井井架由该厂制作，均为特大型箱形钢结构件，四腿八叉，且每节长度均在8m左右。其中，主井井架高度为70.6m，总重约为730t以上，各平台梁也为方箱结构，随着层次上升，柱腿端面尺寸逐渐增大。设计技术条件为：主副腿及平台梁为一级焊缝构件，4条主焊缝100%超声波探伤，I级合格；各腿梁棱边直线度及四侧面平面度，单节不大于3mm，整体组焊后不大于5mm；各节两端对角线偏差为其公称尺寸的1%。焊缝质量和几何尺寸要求都极为严格。为了验证坡口形式的可行性，在施工前进行了工艺、接头形式和焊接方法的试验，并针对不同接头形式和焊接方法确定1～3种焊接规范参数（电流、电压与焊接速度）进行试验。
通过分析和试验确定的施工工艺方案要点是：为保证施工质量所必须具备的最低限度的工装配置，设计制作了8组标准平台、2组简易平台、大型组对弯板、卡具、内外支撑件及大型翻身吊梁、下料及检验样板、专用检具及矫正工具等；主角接焊缝采用P形坡口、抵紧组对，所有的板边及坡口均由机械加工完成；为减少和控制焊接变形，必须根据对称、分散、分层的原则，针对每一个具体的构件规定严格的焊接顺序及规范参数。厂内分片组对检验、现场组对焊接与安装都比较顺利，被评为省优工程。随后生产的井架都被评为部优工程。
11 液压支架顶梁对工艺制造与焊接变形控制
兖州矿业（集团）公司机械制修厂承接的放顶煤液压支架顶梁属箱形多隔板焊接结构件，约有70多个部件。主要部件采用了Q550高强度合金结构钢，钢板厚度10～25mm，焊缝高度12～18mm，交叉及双面角焊缝较多，焊接量大。每个支架顶梁需用近290kg焊丝，多次组对才能完成，焊接应力及变形较为复杂。顶梁作为支架的基础件，与相关部件的关联尺寸、自身的形位公差要求比较严格。他们制定了合理的组对工艺及控制焊接变形措施，有效的预防和控制了变形及尺寸偏差，使结构件质量得到保证。
①严格控制下料尺寸。对每个零件都给出公差要求，采取数控、仿形、半自动切割等下料方法，保证尺寸精度及其一致性。对主要横向筋刀剪两结合边，减少和消除主筋间因横向间隔加强筋板尺寸误差而造成的组对偏差及焊接变形。
②采用芯轴式定位方式。主筋气割下料后，刀剪主筋底面，用定位钻模工装钻镗出芯轴定位孔，保证孔的相对位置及与基准面的准确性。
③组对顺序。先将主筋、底板和间隔筋板在专用工装平台组对，加强点固焊缝形成整体框架后再转至底板上按中心重合原则组对，既保证组对尺寸一致又使构件具备较大刚度。
④控制组对间隙与收缩余量补偿。对重要尺寸都预留横向收缩量，并加工相应尺寸定距隔套予以保证，组对间隙控制在0～0.1mm。
⑤刚性支撑。为减少因焊缝横向收缩引起的角变形，在重要的不封闭部位采用截面不小于30mm×30mm的刚性杆件进行支撑。
⑥焊接顺序。按照分层、分段、由内向外与对称施焊的原则，首先一次组对后由内向外全部打底焊一遍，然后先焊主筋与加强筋板的角焊缝，再焊与底板连接的横焊缝，最后焊纵焊缝。
⑦焊接电流。为减少焊接变形，采取75%氩气与25%二氧化碳混合气体保护焊。按照“在保证良好熔合的前提下，尽量减少焊接电流”的原则，规定了多层多道焊的焊接技术规范参数。
12 聚晶金刚石复合片钻头失效形式及工艺研究
兖州矿业（集团）公司机电设备制造厂通过对聚晶金刚石复合片（PDC）钻头的失效形式及相关工艺过程的研究，总结出了在PDC钻头的加工使用过程中应该注意的问题，对提高PDC钻头的加工水平和延长使用寿命有一定的借鉴意义.。
⑴裤体非正常磨损。PDC钻头的工作条件极为苛刻。作为PDC钻头的基体不仅要有较强的综合机械性能，还要有较好的热振性和抗腐蚀性。裤体的材质、加工精度、热处理工艺和焊后修磨等显得很重要。这就要求裤体材质要选用42CrMo、35CrMnSi等优质低碳合金钢材料，加工成的裤体要进行相应的热处理，即淬火后进行低温回火。裤体热处理后的表面硬度40～42HRC，组织为回火马氏体。
⑵刀片磨损。①金刚石层与WC基托层分离。主要原因是金刚石涂层工艺技术欠成熟稳定，金刚石与基体的附着力较差，从而造成金刚石薄膜过早从WC基托层剥离而失效，极大降低了钻头使用寿命及切削性能。采用钛粉和金刚石微粉烧结层、类金刚石膜、钨/金刚石成分梯度层等方法，能较好地消除薄膜与基托因晶格失配、热膨胀系数差异等而造成的内应力。②宏观破裂。表现为金刚石层的破裂，产生原因是钻头在钻进过程中遇到硬质岩石或岩性变化较达到岩层时受到较大的交变冲击，使切削齿在短时间内承受朝负荷而导致钻头报废。要根据钻机性能选择与之相匹配的PDC钻头，在钻探过程中保持稳定的钻压、钻速，尽量避免大的冲击；在材料制造过程中提高各层间结合力，改善材料间的热膨胀系数匹配，尽量减少内应力。
⑶脱焊。聚晶金刚石层焊接工艺性差，各种参数控制要求高，稍有不慎便可导致聚晶金刚石层在使用过程的脱焊。加热温度760～800℃，一般选用银基钎料，感应钎焊或火焰钎焊，焊缝强度取决于被连接材料的组织和状态、钎焊过程和刀片及基体三个方面。
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