一.导言
矿用机械主要服务于能源、交通、原材料等基础行业。其主要任务是为煤炭、钢铁、有色金属、化工、建材、核工业等行业的原材料开采和深加工，以及铁路、公路、水电等大型项目建设提供先进高效的技术装备。矿山机械是一个种类繁多、设备结构复杂、需求量大、应用面广的机械行业。矿山机械按用途大致可分为采矿设备、提升设备、窄轨运输设备、破碎磨矿设备、采矿筛分设备、洗矿设备、焙烧设备等7大类30小类700多个品种上千种规格。
矿山机械在经济建设、科技进步和社会发展中发挥着非常重要的作用，属于国民经济的支柱产业。矿山机械制造业是一个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、原材料等基础产业发展的产业政策，矿山机械作为这些基础产业的支柱，国家应优先发展和完善，为煤炭、金属和非金属矿山的发展提供更多具有国际先进水平的优质高效装备，满足国民经济发展对能源和原材料的需求。
改革开放30年来，我国矿山机械制造业经历了引进吸收国外先进技术、合作设计联合制造、自主设计的发展道路。特别是在《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》实施的推动下，矿山机械制造业基本实现了两大转变。一是产品开发从模仿向自主创新转变；二是经济运行由粗放型向高效型转变。2000年以来，在国内基础产业和基础设施大发展的带动下，矿山机械产品市场需求旺盛，工业总产值和销售额年均增速稳定在32% ~ 40%。市场需求不仅带动了矿山机械制造业的经济增长，也推动了整个行业的技术进步。出现了一批具有自主知识产权的重大新产品，如北方重工开发的∮11m水泥平衡盾构、9.8km大型平面转弯带式输送机，中信重工开发的8.8×4.8半自磨机、6.2×9.5m溢流球磨机等。并于2008年中标澳大利亚SINO铁矿6号集团12台世界最大的12.2×10.9米半自磨机和7.9×13.6溢流球磨机。太原重机集团研发35m3、55m3大型矿用挖掘机和1,800 kW ~ 2,040 kW大功率厚煤层采煤机，上海建工路桥研发6m电液控制液压支架。上述重大新产品的研制成功，为国家经济建设做出了积极贡献，缩小了与先进国家的差距，提高了参与国际竞争的能力。中国矿山机械行业在国际矿业工程建设中发挥着越来越重要的作用。
矿山机械的发展与人类技术进步、现代科学技术和整体工业水平密切相关，尤其与机械工程科学和采矿学科的发展密切相关。现代科技前沿具有明显的时域、场域和动态特征。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将改变21世纪的主流科学。由此产生的高科技及其产业将改变世界。不同科学的交叉融合将产生新的科学焦点，经济发展和社会进步将给矿山机械带来新的要求和期望。机械科学发展的总趋势将是数字化、智能化、精密化、微型化、生活化和生态化。矿山机械作为机械工程的一个分支，也遵循着发展的大趋势。同时结合矿业的特点，其发展趋势是数字化、智能化、生态化、宜人化。矿山机械制造业要在科学发展观的指导下，不断融合人类在各个领域的优秀成果，面向国家经济建设的重大需求，实现可持续发展。
二、矿山机械发展的动力机制
(一)受市场竞争的驱动
我国矿山机械整体水平与国际先进水平仍有差距。在迈向矿山机械制造强国的道路上，机遇与挑战并存。产品设计是制造业的灵魂。原则上，产品的结构、功能、质量、成本、交货期、可制造性、可维护性、后处理以及人、机、环境的关系都是在产品设计阶段决定的。产品的创新设计能力已经成为决定企业在全球竞争中地位的首要因素。
矿山机械是一种技术含量高、集成度高的设备。新装备的发展不断融合人类在各个领域的成果。随着材料科学、制造技术、信息技术、计算机技术的进步，每一轮产品都在注入新的技术，零部件的更新周期越来越短，新设备的更新换代越来越快。尤其是大型矿用机械的研制，没有成熟的经验可以借鉴，设计上不允许有任何失误，需要借助多学科技术。在矿山机械、计算机技术和网络技术综合的基础上，形成了数字化的发展趋势。
(2)经济建设的需要
随着社会的进步和国民经济的发展，对资源和能源的需求越来越大，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，从陆地向海洋延伸，资源开采条件日益恶化，安全开采形势越来越严峻。我国煤炭开采深度达到1000m，金属矿浓度达到1380m，矿床开采深度增加。地下水、瓦斯、高地应力、地质构造都大大增加了资源开采的难度。无人工作面自动化开采是地下或危险环境开采的发展方向，也是保证工作面安全开采的有效途径。采矿科学、自动化技术、通信技术、计算机科学技术等的综合应用。，开展基础理论研究，开发自动化无人采煤工作面新技术、新设备，使矿山机械向机器人化、智能化方向发展。
海底蕴藏着多种战略性金属矿产资源，可以实现海洋矿产资源的高效安全开采，为维护国家海洋权益和国民经济发展提供技术支撑，保障社会的可持续发展。实现海底采矿，需要发展智能采矿机械设备，如深海缆控无人潜水器、无人无缆自制深潜器等。
(3)面向自然环境和谐发展的需要
中国“十一五”规划纲要提出，要建设资源节约型、环境友好型社会，重点发展循环经济，坚持发展与节约并重，节约优先。按照减量化、再利用、再循环的原则，在资源开发、生产和消费、废物产生和消费等环节逐步建立全社会的资源循环利用体系。要节能、节水、节地、节材，加强资源综合利用，提倡节约。机械制造业应从单纯追求规模和效率的模式转向建设4R(减量化:减量化、再利用:再循环:再循环、再制造:再制造)循环经济的方向。
面对自然环境的和谐发展，要求矿山机械“生态化”。借助各种先进技术，不断创新制造模式、制造资源和制造组织，使产品在整个生命周期内不产生或尽量减少环境污染，资源利用率最高，能源消耗最低，最终实现企业经济效益和社会效益的协调。高效率、零污染的燃料电池矿山机械具有良好的发展前景。
地热能作为一种绿色可再生资源，被世界各国确定为维持社会可持续发展的新能源，在地热资源丰富的发达国家得到了很好的利用。地壳热能资源的开发和固体废弃物的资源化处理，拓展了矿山机械的服务领域。
在计算机技术、网络技术等多学科融合的支持下，矿山机械以经济建设为导向，以市场需求为驱动，在人与自然的和谐发展中，矿山机械向数字化、智能化、生态化、友好化方向发展。
三。机械发展
(1)数字化
1、数字化矿山机械产品开发
目前，矿山机械产品的发展呈现出数字化、并行化、集成化和知识化的趋势。数字化已经成为实现快速创新和发展的核心技术。产品开发数字化的基本思想是对产品开发过程中的各种信息，包括图形、数据、知识和技能进行量化表达、存储、处理和控制，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作。除了传统的CAD/CAE/CAPP/CAM等计算机辅助设计和制造技术外，支持产品快速开发的数字化技术还包括数字化建模与仿真、数字化样机与虚拟制造、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通过基于物理和数学的计算模型和计算机预演，揭示制造过程的本质，获取知识，自主设计制造过程设备，从而实现产品制造、装配乃至整个产品生命周期的预测和优化控制能力。主要内容包括:1)设计过程仿真，包括形状仿真、装配仿真、运动学仿真、动力学仿真和多学科集成仿真；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；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，准确预测技术可行性、加工成本、过程质量和生产周期。
2.企业协作的数字化
以互联网为代表的网络技术，使设计制造各个环节的信息和知识在数字化描述的基础上流通和整合，使不同地方、不同企业的资源得以共享，企业的组织得以组织、分布和扁平化，为用户介入生产、供应链和制造企业，共同保证产品的交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、投资大、批量小、工作环境差、开发试验周期长等特点。其发展适合全球分布式网络合作模式，能够快速响应市场需求，实现资源的全球优化配置，通过虚拟价值链快速满足客户价值最大化的根本需求。未来的矿用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，而是一个无边界、多企业、短期最优的动态系统。
3.矿山数字化
近年来，地理信息系统在许多矿山得到了迅速发展。它集成了地质勘探数据、测量数据、地质矿床模型、全矿井巷道分布、各种地面建筑设计和总平面布置，以三维形式展示了矿井中矿床、巷道和建筑物之间的关系，一目了然地展示了矿井的空的组成和结构，构成了“数字矿山”的基础。海量数据存储技术、数据挖掘技术、多维可视化和虚拟现实技术、光纤通信技术和宽带计算机网络技术、各种新型采矿设备、选冶设备及相关控制和管理系统为数字矿山建设提供了有力的技术支持。数字矿山的功能包括:1)生产管理。各类数据的采集和生成实现了物流、资金流、人员流的实时动态查询，方便了管理的科学决策。结合全球定位系统，可实现车辆调度、设备作业定位与引导、地面工程测量等。2)生产监控管理包括产品质量实时监控、电铲有效载荷称重、铲斗装载精确定位检测；设备健康诊断；能源消耗分析；露天矿边坡变形、滑坡位移监测和排土场灾害防治等。露天矿运输成本约占总成本的60%。在大型露天矿山，电铲和汽车调度是矿山管理的重要内容。通过GPS卫星定位和多路无线通信，实现车-铲-调度室之间的信息传输。软件中采用线性规划加动态规划的自动调度模式。每次换班前先用线性规划进行统筹安排，然后随着作业进度用动态规划进行在线及时修正。美国模块化公司著名的调度软件就是提高矿山企业生产效率的典型例子。
它为数字矿山描绘了新的前景，挖掘和整合了企业的信息资源，实现了露天采矿工业流程的再造，完成了地质环境建模、生产计划制定与实施、生产调度、产品质量监控、设备状态诊断、人员配置、物流、资金流、工程灾害预警、局部环境监测、专家评估、特殊工况下的决策等子系统的建设与集成，使整个企业成为一个完整、顺畅的管理系统。
(2)智力
1.地下矿产资源的自动开采
信息技术的进步推动了无人采矿技术的发展，从目前以传统采矿过程自动化为核心的自动采矿或远程采矿，发展到以集成先进的传感器、探测与监控系统、智能采矿设备、高速数字通信网络和新型采矿工艺为主要技术特征的“无人矿山”。
采煤实现了综采工作面液压支架作业的自动化。在该技术中，液压支架的升降、首推输送机、后拉输送机、伸缩侧护板、喷雾洒水、放煤等动作由原来的手工操作改为电液自动控制和程序化操作，可有效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，液压支架的电液控制技术已经成熟。电液控制系统在美国、澳大利亚和德国的液压支架中得到广泛应用。自20世纪80年代中后期以来，加拿大诺兰达技术中心开发了多种金属矿床地下开采的自动化设备，包括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。这些技术和系统在推广应用中取得了理想的效果。诺拉自动化开采技术和系统可在不同开采条件下独立使用，也可用于中央集群多车遥控系统，更好地满足了多矿山、不同生产规模、复杂矿体条件的实际需求。
自动化地下开采需要研发相应的先进传感技术、检测监控技术，开发智能操作软件，使通信系统接近国际标准现场总线。温度、湿度、空气体成分、采场地压、巷道围岩变形等井下环境因素的检测与监测技术，矿碳爆堆破碎与分布、有用矿物品位与分布等参数的实时分析技术，基于井下环境的距离识别、定位与导航技术，如埋线导航系统、被动导光系统、主动导光系统、墙。
2.海底矿产资源开采的远程控制和无人操作
占地球表面71%的海洋矿床蕴藏着极其丰富的矿产资源，主要有镍、钴、锰、金、银、铝等矿产资源。深海资源开采技术是指从深海海底采集和运输多金属结核、钴结核和多金属硫化物矿石到水面的相关技术。目前只有多金属结核开采技术基本形成了具有商业开采应用前景的技术雏形，主要包括海底电视系统、声纳系统、传感器和数据传输系统、海底矿产资源在不同赋存状态下的采集方法和机构、海底作业设备在极薄软底和极复杂地形下的行走和控制技术、大洋风、浪、流作用下的矿物结核长距离管道输送技术、大洋采矿设备的升降补偿技术和整个系统的联动控制技术等。
海底采矿机械可以远程操作，无人操作。人们可以在机器的工作环境之外，直接用眼睛或借助摄像机观察机器人的工作。远程控制操作员可以在控制室进行远程操作。系统应具有远程呈现效果，以便操作员可以亲自操作。除了反馈来自机器的回波信号外，还要求在运行中具有图形显示能力，在机器上采集的关于机器完整性和工作性能的信息可以传输到操作员的工作站。采矿机器人利用各种传感器的信息，实时动态感知地面和工作环境，自主工作方面还有很多问题需要研究。
3.机械结构健康的自检和自诊断
传统的机械结构是没有生命的，不智能的，无法感知外部影响和内部损伤，无法做出适当的反应来保护自己，使结构处于最佳状态。因此，外界荷载和环境的变化，以及自然和人为因素的影响，都会使结构的性能退化甚至破坏，严重威胁人民的生命财产安全。为了保证结构的安全性，设计人员往往采取保守设计，增加结构的尺寸和质量，从而增加消耗，降低结构的有效荷载，增加人力、财力和资源的消耗。随着信息工作和材料科学技术的发展，科学家和工程师受到生物进化的研究和思考的启发，提出了从根本上解决工程结构全生命周期安全性和全面提高结构性能的新思路，引入了智能结构和系统的概念。智能结构以生物学的方式感知结构和外界环境的状态，并及时做出判断、反应和适应。
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自诊断系统采用集成传感器、控制器和执行器的智能结构，赋予结构健康自诊断、环境适应、损伤自修复等部分智能功能和生命特征，达到增强结构安全性、减轻重量、降低能耗、提高性能的目的。是未来主要矿山机械产品在线监测的方向。
(3)生态学
1.矿山机械的绿色设计
矿山机械是资源消耗大户，也是污染源。面对日益严峻的资源和环境约束，紧紧围绕4R的产品生命周期设计和管理是降低能耗和污染，实现可持续发展战略的重要手段。具体措施如下:(1)采用长寿命、低能耗、轻重量的设计原则。延长产品寿命可以减少机器的生产及其报废；降低产品能耗，减少对环境的污染；轻量化和高效率可以减少材料和资源的消耗。(2)尽量使用环境负荷低的材料，尽量不使用氟利昂(空)、含氯橡胶、树脂、石棉等有害材料。为了最大限度地减少废弃零部件处理带来的污染，优化综合成本，矿山机械产品在设计初期，应考虑废弃零部件处理简单、成本低、污染小、零部件拆卸方便且易破碎、焚烧或燃料回收等问题。(3)在结构件设计中采用可回收利用的材料和资源，特别是大型模块化结构和易拆装的无毒材料，提高机械材料的回收利用率；(4)降低整机的振动和噪音，减少对周围环境的污染。
2.燃料电池采矿机械
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它由含催化剂的阳极、阴极和导电电解质组成。燃料在阳极被氧化，氧化剂在阳极被还原。电子通过外接负载从阳极流向阴极，形成电路，产生电能驱动负载工作。燃料电池与普通电池的区别在于，它在工作过程中需要不断向电池输入燃料和氧化剂，通过化学反应生成水并释放能量。只要维持燃料供应，燃料电池就会一直工作，给负载供电。
燃料电池具有高效、清洁、安静和能量密度高等优点。近年来，美国和加拿大的一些矿业公司开展了在地下采矿车辆中使用燃料电池的研究。加拿大瓦格纳公司和INCO公司将EST-6电动地下装载机改为燃料电池地下装载机。卡特彼勒将R1300柴油地下装载机改造为氢燃料电池-蓄电池混合动力装载机，装机功率降低近一半，短时间内最大输出功率高于传统装载机，实现了节能和零污染。
3.地热资源开采技术及设备
据科学家估计，地壳10公里以内的高温岩体地热资源是世界化石能源的100 ~ 1000倍。与太阳能、风能相比，高温岩体的地热能更加集中，便于开发利用。地热资源的开发，特别是高温岩石地热资源，在发达国家得到了迅速发展。美国洛斯拉莫斯国家实验室首先提出了针对高温岩体的商业化地热开发计划，并于1984年在墨西哥建成了芬顿山休眠火山，成为世界上第一座装机容量为10MW的地热发电站。随后，日本、英国和法国都进行了工业实验研究。到1996年，日本地热发电装机容量达到50万千瓦，美国超过200千瓦。美国、日本、英国等国对高温岩体地热开发系统及循环井运行规律、环境评价、产出-寿命等方面进行了研究，以保证高温岩体地热开发系统的正常高效运行。中国拥有丰富的高温岩体地热资源。西南被印度洋板块挤压，东南被菲律宾板块挤压，东部被太平洋板块挤压。地质活动强烈，具有优越的开发条件。高温岩体地热开发需要高效破岩设备，钻井温度、压力、流量实时测试技术和设备，高温岩体地热开采成套技术和设备等。具有自主知识产权的高温岩体地热开采成套技术和装备，将为矿山机械行业提供新的发展空空间。
(4)固体废物处理设备
未来30年，信息技术、环境、能源、制造业等领域将出现“十大新兴技术”，“固废处理技术”将位列第二。科技部强调固体废物处理要做到无害化、减量化、资源化。
1、炉渣处理设备。是高炉炼铁炼钢的必然产物。例如，每吨钢大约产生12% ~ 14%的钢渣。目前钢渣的利用率在10%左右。钢渣堆放场大多浪费金属和钢渣资源，污染环境，破坏生态景观，占用土地，不符合循环经济和可持续发展的基本国策。国家“十一五”规划已下达冶炼渣综合利用率可达86%的目标，这使得钢铁企业面临钢渣“零排放”的紧迫任务。钢渣的破碎和粉磨需要有液压保护的颚式破碎机和辊磨机，破碎后钢渣中的金属可以充分回收。用钢渣代替石灰石煅烧水泥熟料实现钢渣的资源化利用。金刚石矿渣的破碎和粉磨设备的开发具有良好的发展前景，将直接促进矿渣资源的回收和再利用。
2.废钢处理设备。废钢铁是钢铁生产中唯一可以替代铁矿石的原料。最大限度地开发利用废钢铁资源是钢铁行业实现节能减排、清洁生产、循环经济和缓解铁矿石资源危机的重要途径。目前我国废钢回收率为19.9%，远低于48.3%的世界平均水平。国外废钢处理行业的发展趋势是以废钢破碎和分选处理为主导，利用环保、机电一体化等高新技术研发废钢综合处理新技术，形成新的环保高新技术产业和新的经济增长点。通常，废钢处理需要将钢块破碎入炉，然后提高回收钢的质量。有两种主要类型的碎边机，即碎边机和破碎机。有锤式破碎机，辊式破碎机和叶片破碎机。废钢处理是目前国家重点扶持的节能减排项目。因此，废钢破碎机具有良好的应用和发展前景。
(5)快感。
在矿山机械的产品设计中，贯彻“以人为本”的原则，考虑人、机器和环境之间的协调。采取必要的技术措施进行安全设计，改善工作环境，降低振动和噪声，提高操作者的舒适性。
1.安全
矿山机械的安全是矿山安全生产和工人生命安全的保障。矿山机械的安全特性应从两个方面来描述，一是矿山机械的安全功能，二是相应安全功能的可靠性。无论是在含有煤尘和易燃易爆气体的煤矿或井口，还是在各种金属非金属矿山，只有安全功能齐全、安全可靠性高的矿山机械才能保证矿山的正常生产，避免安全事故的发生。各种矿山机械由于工作环境不同，安全功能也不同。就煤矿用提升机而言，其安全功能主要包括防爆、超速和过卷保护、过载和过压保护、防坠保护等。矿用车辆装有防倾、防坠结构，并具有工作状态监测和计算机控制的安全功能，避免误操作。
2.舒适
运用人机工程学设计原理，改善驾驶员的工作环境，注重驾驶员与操作界面的协调，缓解疲劳，提高工作效率。采用省力便捷的电子控制技术，只需少量的手臂动作就能精确操纵负载，所有重要的操作部件都可以用指尖操作，减轻了驾驶员的负担。驾驶室全封闭隔热隔音，座椅采用可调式油气悬挂系统，引入电子监控仪表盘、声光信号报警等人性化设计理念，为操作人员营造安全舒适的工作环境。
3.外观和造型
注重矿山机械的外观美感和车身本身的流线型设计，达到机械与环境的和谐，给人以视觉美感。矿山机械的造型不是简单的物理形态，而是功能、材料、结构、人机关系、生产工艺等因素的综合表达。在造型设计中，一方面要运用艺术手段和美学法则，使采用现代技术的产品具有符合人们审美要求的造型美感；另一方面，为了有效地发挥产品的功能，产品的结构和形状必须更加合理。
21世纪，中国已成为矿山机械制造大国，举世瞩目。但是，我们不是矿山机械制造大国。到目前为止，中国制造的具有自主知识产权的高端矿山机械产品并不多。通过自主创新，发展数字化、智能化、生态化、宜人化的矿山机械，实现重大装备和高端成套，为我国经济建设和社会发展做出更大贡献。
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