输送机械等矿山机械未来发展趋势

输送机械等矿山机械未来发展趋势矿山机械的技术水平与装备能力，是衡量一个国家工业实力的重要标志。本文简要介绍了矿山机械的分类和在国民经济建设中作用，提出面向经济建设的市场驱动、计算机技术和信息技术等多学科综合集成的支持以及人类与自然的和谐发展是矿山机械制造业发展的动力。1、引言矿山机械主要面向能源、交通和原材料基础工业部门服务，主要任务是为煤炭、钢铁、有色金属、化工、建材和核工业等部门的矿山开采和原材料的深加工，以及为铁路、公路、水电等大型工程的施工提供先进、高效的技术装备。矿山机械是机械工业中一个品种繁多、设备结构复杂、需求量大、使用面广的机械行业。矿山机械按其用途大致可分为采掘设备、提升设备、窄轨运输设备、破碎粉磨设备、矿用筛分设备、洗选设备和焙烧设备等7大类，30小类，700多个品种和数千种规格。矿山机械在经济建设、科技进步和社会发展中占有十分重要的地位和作用，属于国民经济的支柱行业。矿山机械制造业是国家建立独立工业体系的基础，也是衡量一个国家工业实力的重要标志。根据国家重点支持能源、交通和原材料等基础工业发展的产业政策，矿山机械作为这些基础工业的支柱应优先得到国家的重点支持，以得到进一步发展和提高，为煤炭、金属和非金属矿山的开发提供更多的具有国际先进水平的优质、高效设备，满足国民经济发展对能源和原材料的需要。改革开放30年来，我国矿山机械制造业经历了引进消化吸收国外先进技术、合作设计和合制造、自主设计的发展道路，特别是在实施《国务院关于加快振兴装备制造业若干意见》的推动下，矿山机械制造业基本实现了两大转变，一是产品开发由仿制型向自主创新型转变；二是经济运行由粗放型向效益型转变。2000年以来，在国内基础工业和基础建设大发展的拉动下，矿山机械产品市场需求旺盛，工业总产值和销售额年增长速度稳定在32%~40%。市场需求在带动矿山机械制造业经济增长的同时，更促进了整个行业的技术进步，涌现了一批具有自主知识产权的重大新产品，如北方重工研制了∮11m水泥平衡盾构和9.8km大型平面转弯带式输送机，中信重工研制了8.8×4.8半自磨机和6.2×9.5m溢流型球磨机，并与2008年中标澳大利亚SINO铁矿6组12台世界最大的12.2×10.9m半自磨机和7.9×13.6溢流型球磨机，太原重型机械集团研制了35m3和55m3大型矿用挖掘机和1800kW~2040kW大功率厚煤矿层采煤机，上海建设路桥研制了6m电液控制液压支架等。上述重大新产品的成功研制，为国民经济建设做出了积极贡献，同时缩小了与先进国家的差距，提升了参与国际竞争的能力，我国矿山机械行业在国际矿山工程建设中正在发挥越来越大的作用。矿山机械的发展一人类的技术进步、现代科学技术和整体工业水平息息相关，特别是与机械工程科学和采矿学科的发展紧密相连。现代科学技术前沿具有明显的时域、领域和动态特性。信息科学、材料科学、生命科学、纳米科学、管理科学和制造科学是改变21世纪的主流科学，由此产生的高新技术及其产业将改变世界。不同科学之间的交叉融合将产生新的科学聚焦，经济的发展和社会的进步对矿山机械产生新的要求和期望。机械工程科学发展的总趋势将是数字化、智能化、精密化、微型化、生命化和生态化。矿山机械作为机械工程学科的一个分支，也遵循这个发展的总趋势。同时，结合矿山行业的特点，其发展趋向是数字化、智能化、生态化和宜人化。矿山机械制造业应不断融入人类在各领域的优秀成果，面向国家经济建设重大需求，以科学发展观为指导，实现可持续发展。2、矿山机械发展的动务机制2.1市场竞争驱动我国矿山机械的整体水平与国际先进水平相比尚有差距。在迈向矿山机械制造强国的征途中，机遇和挑战并存。产品设计是制造业的灵魂，产品的结构、功能、质量、成本、交货时间及可制造性、可维修性、报废后处理以及人、机和环境关系等，原则上都是在产品设计阶段决定的。产品的创新设计能力已成为决定企业在全球化竞争中地位的首要因素。矿山机械是技术含量和集成化很高的装备，新设备的开发中不断将人类在各领域成果融合进来，随着材料科学、制造工艺、信息技术、计算机技术的进步，每一轮产品都有新的技术注入，零部件的更新周期越来越短、新设备换代越来越快，尤其是大型矿山机械的开发，无成熟的经验可借鉴，而又不允许设计中出现任何失误，因此必须借助多学科技术的融合，提高设计效率和设计质量，提升企业自主创新能力和市场竞争力。矿山机械和计算机技术、网络技术综合的基础上形成了数字化发展趋势。2.2经济建设的需要随着社会进步和国民经济的发展，人类对资源和能源的需求量越来越大，而我国是一个资源相对贫乏的国家。随着资源的开发，开采深度逐渐增加，由陆地向海洋延伸，资源开采条件日益恶化，安全开采的形势日趋严重；我国的煤炭开采深度已达到1000m，金属矿的浓度达到1380m，矿床开采深度增加，地下水、瓦斯、高地应力、地质构造使资源开采难度大大增加。自动化无人工作面开采是井下或危险环境采矿的发展方向，也是保障工作面安全开采的有效途径。综合运用采矿学、自动化技术、通讯技术、计算机科学与技术等，进行自动化无人工作面开采的基础理论研究和开发新技术、新装备，使矿山机械将向着机器人化和智能化方向发展。海底蕴藏着多种战略性金属矿产资源，实现海洋矿产资源的高效安全开采，为保障国家的海洋权益和国民经济发展提供技术支持，社会可持续发展提供保障。实现海底采矿，需要开发深海缆控无人潜器、无人无缆自制深潜器等智能化采矿机械装备。2.3面向自然环境和谐发展的需要我国“十一五”规划纲要中指出，要建设资源节约型、环境友好型社会，重点发展循环经济，坚持开发节约并重、节约优先，按照减量化、再利用、资源化原则，在资源开采、生产消耗、废物产生、消费等环节，逐步建立全社会的资源循环利用体系；要节约能源、节约用水、节约土地、节约材料、加强资源综合利用强化促进节约等政策。机械制造业要从单纯追求规模与效益的模式转向建设4R（Reduce:减量化，Reuse:再利，Recycle:再循环，Remanufacture：再制造）的循环经济方向。面向自然环境实现和谐发展，要求矿山机械“生态化”，借助各种先进技术对制造模式、制造资源、制造工艺制造组织进行不断创新，使产品在整个生命周期内不产生环境污染或环境污染最小化，资源利用率最高，能源消耗最低，最终实现企业经济效益与社会效益的协调化。高效、零污染的燃料电池矿山机械具有很好的发展前景。地热作为绿色的、可再生的资源，被世界各国确定为维系社会可持续发展的新能源，在地热资源丰富的发达国家已得到较好的利用，开发地壳热能资源和对固体废物资源化处理为矿山机械拓展了服务领域。矿山机械在计算机技术、网络技术等多学科综合集成的支持下，面向经济建设，在市场需求的驱动下，在人类与自然界的和谐发展中，矿山机械已经向着数字化、智能化、生态化和宜人化方向发展。3、机械发展方面3.1数字化3.1.1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。3.1.2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。3.1.3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。露天矿运输作业成本约占总成本60%，大型露天矿中电铲和汽车调度是矿山管理的重要内容，通过GPS卫星定位和多频道无线电通信，实现车-铲-调度室之间的信息传递。在软件上采用线性规划加动态规划的自动调度模式。首先在每班作业前用线性规划做出总体安排，然后随作业的进展在线及时地用动态规划予以修正，美国Modular公司着名的DISPATCH软件就是典型的示例，提高矿山企业的生产效率。数字化给矿山描绘了新的远景，挖掘整合企业的信息资源，实现露天采矿工业流程的再造，完成矿床地质环境建模、生产计划制定执行、生产调度、产品质量监控、设备状况诊断、人员调配、物流、资金流以及工程灾害预警、局域环境监测、特殊工况条件下专家评估决策等子系统的构建、融合，使整个企业成为一个完整、流畅的管理系统，3.2智能化3.2.1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