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中国矿山机械行业未来的发展趋势及方向

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-05-25  浏览次数:656
中国矿山机械行业未来的发展趋势
 
  1.矿山机械产品开发数字化
 
  目前矿山机械产品的开发呈现数字化、并行化、集成化和知识化的趋势。其中数字已成为实现快速创新开发的核心技术。产品开发数字化的基本构思是利用数字对产品开发过程中的各种信息,包括图形、数据、知识、技能等,进行定量表达、存储、处和控制,从而实现以快速市场响应和创新开发为目标的全局优化运算。除传统的CAD/CAE/CAPP/CAM等计算机辅助设计与制造技术外,支持快速产品开发的数字化技术还包括数字建模与仿真、数字样机与虚拟制造、基于知识的设计技术和设计仓库、基于网络的产品协同设计等。
 
  产品开发数字化的一个重要特征是产品开发和产品性能的可预测性。制造过程数字仿真的目的是借助于建筑在物理学和数学基础上的计算模型、计算机预演等手段,揭示制造工艺过程的本质,获得知识及进行制造工艺装备的自主设计,实现对产品制造、装配乃至产品整个生命周期过程的预测和优化控制能力。主要内容包括:1)设计过程仿真,包括外形仿真、装配仿真、运动学仿真、动力学仿真和多学科集成仿真等;2)加工过程仿真,包括切削过程仿真、焊接过程仿真、冲压过程仿真和铸造过程仿真等;3)生产过程仿真,通过建立制造系统的静态模型和动态模型,精确预测技术可行性、加工成本、工艺质量和生产周期。
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  2.企业协作数字化
 
  以因特网为代表的网络技术,使设计制造各个环节的信息与知识在数字化描述的基础上得到流通与集成,从而使异地的、不同企业的资源可以共享,使企业组织的组元化、分布化和扁平化成为可能,为用户介入生产、供应链与制造企业共同保证产品供货期和质量提供了条件。大型矿山机械设备具有技术含量高、投资额大、批量少、工作环境恶劣及研制试验周期长等特点,其开发适合采用全球分布式网络化协作模式,能够快速响应市场需求,实现资源的全球最优配置,通过虚拟价值链,快速满足顾客价值最大化的根本需求。未来矿山机械制造系统不再是单个企业与长期合作的有限供应商的稳态组合,而是无国界的、多企业的、短期的最优的动态系统。
 
  3.矿山数字化
 
  近年来,地理信息系统在许多矿山得到迅速发展,它将地质勘探数据、测量数据、地质矿床模型、全矿巷道分布、地面各种建筑设计和总图布置综合在一起,以三维立体形式表现矿山内矿床、巷道和建筑间的相互关系,一目了然地表面矿山的空间组成和结构,构成了“数字化矿山”的基础。海量数据的存贮技术、数据挖掘技术、多维可视化与虚拟现实技术以及光纤维通信技术和宽带计算机网络技术,各种新型采掘设备、选冶设备及相关控制管理系统为数字矿山建设提供了强大的技术支持。数字化矿山的功能包括:1)生产管理。各种数据的采集、生成,实现了物流、资金流、人员流等实时动态查询,方便了管理层的科学决策;结合全球定位系统,实现车辆的调度、设备作业定位导向、地面的工程测量等。2)生产监测控制管理包括产品质量实时监控,电铲有效载荷称量、铲斗装载精确定位检测;设备的运行状况诊断;能源消耗的分析;露天边坡体形变、滑塌位移监测和排土场灾害防治和控制等。
 
  趋势二:智能化
 
  1.地下矿产资源自动化开采
 
  信息技术的进步,推动无人采矿技术从现行的、以传统采矿工艺自动化为核心的自动采矿或遥控采矿,向以先进传感器及检测监控系统、智能采矿设备、高速数字通信网络、新型采矿工艺过程等集成化为主要技术特征的“无人矿山”发展。
 
  煤矿开采实现综采工作面液压支架操作自动化。该技术将液压支架的降架、升架、推移首部输送机、拉后部输送机、收伸侧护板、喷雾洒水及放顶煤等动作由原来的手工操作改为电液自动控制、程序化操作,可以有效地减少工作面工人数量,最终实现井下无人开采自动化工作面。目前,液压支架电液控制技术已经成熟。美国、澳大利亚和德国的液压支架普遍使用了电液控制系统。自20世纪80年代中后期开始,加拿大Noranda技术中心为金属矿床地下开采研制了多种自动化设备,包括LHD铲运机和卡车的光学导航系统、遥控辅助装载系统、自动行走系统等。这些技术及系统在推广应用中取得了理想效果。Noranda的自动采矿技术及系统可以在不同的采矿条件下独立运用,也可以用于中央集群多车遥控系统,较好地适应了多个矿山开采、不同生产规模和复杂矿体条件的实际需要。
 
  地下自动采矿需要研究与开发相应的先进传感技术及检测监控技术、开发智能化操作软件,通信系统向国际标准现场总线靠拢等。井下环境要素如温度、湿度、空气组分、采场地压、巷道围岩变形等变量的检测监控技术、矿炭爆堆的块度及其分布、有用矿物品位及其分布等参数的实时分析技术、基于井下环境,空间距离识别、定位及导航技术,诸如埋线导航系统、无源光导系统、有源光导系统、墙壁跟踪系统、惯性导航技术及装备,使智能采矿设备具有视觉、力觉、感觉等功能,能感知环境变化,做出反应,具有自适应能力。
 
  2.海底矿产资源开采遥控及无人操纵
 
  占地球表面71%的海洋洋底蕴藏着极其丰富的矿产资源,主要包括镍、钴、锰、金、银、铝等矿产资源。深海资源开采技术是指将深海底赋存的多金属结核、钴结核、多金属硫化矿从海底采集并输送到水面的相关技术。目前只有多金属结核的开采技术已基本形成了具有商业开采应用前景的技术原型,主要内容包括海底电视系统、声呐系统、传感器与数据传输系统、不同赋存状态海底矿产资源的采集方法和机构、极稀软底和极复杂地形海底作业装备的行走与控制技术、海洋风、浪、流作用下矿物结核长距离管道输送技术、海洋采矿装备的升降补偿技术和整体系统联动控制技术等。
 
  海底资源开采机械能够远距离操纵和无人驾驶,人在机器工作环境以外,通过人眼直接观察或借助摄相机观察机器人工作远距离遥控操作者本身在控制室内遥控操纵,系统应具有临场感效果,让操作者身临共境地进行操作,除要求从机器反馈回声音信号外,还要求在操作上有图形显示能力,将在机器上采集的有关机器完好情况和工作性能的信息传输到操作员工作站。在采矿机器人利用多种传感器的信息,动态实时地感和作业环境,并自主作业方面,有很多问题还有待研究。
 
  3.机械结构健康自检测及健康自诊断
 
  传统的机械结构没有生命、没有智能,不能感知外界作用和内部损伤,不能做出适当响应保护自己使结构处于最佳状态,因此外部载荷及环境的变化,以及自然及人为因素的影响,将会使结构性能下降乃至破坏,使人民生命财产受到严重威胁。
 
  为了保障结构的安全,设计者往往采用保守设计,增大结构尺寸与质量,从而增加消耗,降低结构的有效载荷,增加人力、财力和资源的消耗。随着信息工作与材料科学技术的发展,科学家和工程师们从生物体进化的学习与思考中受到启示,提出了力图从根本上解决工程结构在全生命周期内的安全,全面提高结构性能的新思路,引入智能结构和系统的概念。智能结构以生物界的方式感知结构的状态和外部环境,并及时做出判断、响应和自适应。
 
  矿山机械的结构健康直接影响矿山安全生产和矿工生命安全,矿山机械结构自检测及自诊断系统采用集成传感器、控制器及执行器为一体的智能结构,赋予结构健康自诊断、环境自适应,以及损伤自修复等某些智能功能与生命特征,达到增强结构安全,减轻质量,降低能耗,提高性能的目的,是未来重大矿山机械产品在线监测的方向。
 
  趋势三:生态化
 
  1.矿山机械绿色设计
 
  矿山机械是消耗资源的大户、污染的源头。面对日趋严峻的资源和环境约束,紧密围绕4R的产品全生命周期设计和管理是降低能耗、污染,实现可持续发展战略的重要手段。具体措施为:(1)采用长寿命、低能耗及减轻重量的设计原则。延长产品寿命,可减少机械的生产量和降低其报废量;降低产品能耗,可减少对环境的污染;而轻量化和高效率可减少材料和资源的消耗。(2)尽量采用低环境负荷材料,尽可能不使用氟利昂(空调)、含氯橡胶、树脂及石棉等有害材料。使废弃零、部件处理的污染最小化及综合成本最优化,矿山机械产品在设计初始阶段就要考虑报废件处理简单、费用低和污染小,零、部件要解体方便、破碎容易,能焚烧处理或可作为燃料回收等问题;(3)采用能再生利用的材料和资源,特别是结构件的设计应尽可能采用比较容易装配和分解的大模块化结构和无毒材料,提高机械材料的再生率;(4)降低整机的振动与噪声,减轻对周围环境的污染。
 
  21世纪的中国已经成为矿山机械制造大国而让世人瞩目,然而我们并不是矿山机械制造强国,我国制造的有自主知识产权的矿山机械高端产品至今并不多。通过自主创新,发展数字化、智能化、生态化与宜人化矿山机械,实现重大装备,高端成套,为我国的经济建设和社会发展做出更大贡献。

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