1、引言

        礦山機械主要面向能源、交通和原材料基礎工業部門服務，主要任務是為煤炭、鋼鐵、有色金屬、化工、建材和核工業等部門的礦山開采和原材料的深加工，以及為鐵路、公路、水電等大型工程的施工提供先進、高效的技術裝備。礦山機械是機械工業中一個品種繁多、設備結構復雜、需求量大、使用面廣的機械行業。礦山機械按其用途大致可分為采掘設備、提升設備、窄軌運輸設備、破碎粉磨設備、礦用篩分設備、洗選設備和焙燒設備等7大類，30小類，700多個品種和數千種規格。

        礦山機械在經濟建設、科技進步和社會發展中占有十分重要的地位和作用，屬于國民經濟的支柱行業。礦山機械制造業是國家建立獨立工業體系的基礎，也是衡量一個國家工業實力的重要標志。根據國家重點支持能源、交通和原材料等基礎工業發展的產業政策，礦山機械作為這些基礎工業的支柱應優先得到國家的重點支持，以得到進一步發展和提高，為煤炭、金屬和非金屬礦山的開發提供更多的具有國際先進水平的優質、高效設備，滿足國民經濟發展對能源和原材料的需要。

        改革開放30年來，我國礦山機械制造業經歷了引進消化吸收國外先進技術、合作設計和合制造、自主設計的發展道路，特別是在實施《國務院關于加快振興裝備制造業若干意見》的推動下，礦山機械制造業基本實現了兩大轉變，一是產品開發由仿制型向自主創新型轉變；二是經濟運行由粗放型向效益型轉變。2000年以來，在國內基礎工業和基礎建設大發展的拉動下，礦山機械產品市場需求旺盛，工業總產值和銷售額年增長速度穩定在32%~40%。市場需求在帶動礦山機械制造業經濟增長的同時，更促進了整個行業的技術進步，涌現了一批具有自主知識產權的重大新產品，如北方重工研制了∮11m水泥平衡盾構和9.8km大型平面轉彎帶式輸送機，中信重工研制了8.8×4.8半自磨機和6.2×9.5m溢流型球磨機，并與2008年中標澳大利亞SINO鐵礦6組12臺世界最大的12.2×10.9m半自磨機和7.9×13.6溢流型球磨機，太原重型機械集團研制了35m3和55m3大型礦用挖掘機和1800kW~2040kW大功率厚煤礦層采煤機，上海建設路橋研制了6m電液控制液壓支架等。上述重大新產品的成功研制，為國民經濟建設做出了積極貢獻，同時縮小了與先進國家的差距，提升了參與國際競爭的能力，我國礦山機械行業在國際礦山工程建設中正在發揮越來越大的作用。

        礦山機械的發展一人類的技術進步、現代科學技術和整體工業水平息息相關，特別是與機械工程科學和采礦學科的發展緊密相連。現代科學技術前沿具有明顯的時域、領域和動態特性。信息科學、材料科學、生命科學、納米科學、管理科學和制造科學是改變21世紀的主流科學，由此產生的高新技術及其產業將改變世界。不同科學之間的交叉融合將產生新的科學聚焦，經濟的發展和社會的進步對礦山機械產生新的要求和期望。機械工程科學發展的總趨勢將是數字化、智能化、精密化、微型化、生命化和生態化。礦山機械作為機械工程學科的一個分支，也遵循這個發展的總趨勢。同時，結合礦山行業的特點，其發展趨向是數字化、智能化、生態化和宜人化。礦山機械制造業應不斷融入人類在各領域的優秀成果，面向國家經濟建設重大需求，以科學發展觀為指導，實現可持續發展。

        2、礦山機械發展的動務機制

        2.1市場競爭驅動

        我國礦山機械的整體水平與國際先進水平相比尚有差距。在邁向礦山機械制造強國的征途中，機遇和挑戰并存。產品設計是制造業的靈魂，產品的結構、功能、質量、成本、交貨時間及可制造性、可維修性、報廢后處理以及人、機和環境關系等，原則上都是在產品設計階段決定的。產品的創新設計能力已成為決定企業在全球化競爭中地位的首要因素。

        礦山機械是技術含量和集成化很高的裝備，新設備的開發中不斷將人類在各領域成果融合進來，隨著材料科學、制造工藝、信息技術、計算機技術的進步，每一輪產品都有新的技術注入，零部件的更新周期越來越短、新設備換代越來越快，尤其是大型礦山機械的開發，無成熟的經驗可借鑒，而又不允許設計中出現任何失誤，因此必須借助多學科技術的融合，提高設計效率和設計質量，提升企業自主創新能力和市場競爭力。礦山機械和計算機技術、網絡技術綜合的基礎上形成了數字化發展趨勢。

        2.2經濟建設的需要

        隨著社會進步和國民經濟的發展，人類對資源和能源的需求量越來越大，而我國是一個資源相對貧乏的國家。隨著資源的開發，開采深度逐漸增加，由陸地向海洋延伸，資源開采條件日益惡化，安全開采的形勢日趨嚴重；我國的煤炭開采深度已達到1000m，金屬礦的濃度達到1380m，礦床開采深度增加，地下水、瓦斯、高地應力、地質構造使資源開采難度大大增加。

        自動化無人工作面開采是井下或危險環境采礦的發展方向，也是保障工作面安全開采的有效途徑。綜合運用采礦學、自動化技術、通訊技術、計算機科學與技術等，進行自動化無人工作面開采的基礎理論研究和開發新技術、新裝備，使礦山機械將向著機器人化和智能化方向發展。

        海底蘊藏著多種戰略性金屬礦產資源，實現海洋礦產資源的高效安全開采，為保障國家的海洋權益和國民經濟發展提供技術支持，社會可持續發展提供保障。實現海底采礦，需要開發深海纜控無人潛器、無人無纜自制深潛器等智能化采礦機械裝備。

        2.3面向自然環境和諧發展的需要

        我國“十一五”規劃綱要中指出，要建設資源節約型、環境友好型社會，重點發展循環經濟，堅持開發節約并重、節約優先，按照減量化、再利用、資源化原則，在資源開采、生產消耗、廢物產生、消費等環節，逐步建立全社會的資源循環利用體系；要節約能源、節約用水、節約土地、節約材料、加強資源綜合利用強化促進節約等政策。機械制造業要從單純追求規模與效益的模式轉向建設4R（Reduce:減量化，Reuse:再利，Recycle:再循環，Remanufacture：再制造）的循環經濟方向。

        面向自然環境實現和諧發展，要求礦山機械“生態化”，借助各種先進技術對制造模式、制造資源、制造工藝制造組織進行不斷創新，使產品在整個生命周期內不產生環境污染或環境污染最小化，資源利用率最高，能源消耗最低，最終實現企業經濟效益與社會效益的協調化。高效、零污染的燃料電池礦山機械具有很好的發展前景。

        地熱作為綠色的、可再生的資源，被世界各國確定為維系社會可持續發展的新能源，在地熱資源豐富的發達國家已得到較好的利用，開發地殼熱能資源和對固體廢物資源化處理為礦山機械拓展了服務領域。

        礦山機械在計算機技術、網絡技術等多學科綜合集成的支持下，面向經濟建設，在市場需求的驅動下，在人類與自然界的和諧發展中，礦山機械已經向著數字化、智能化、生態化和宜人化方向發展。

        3、機械發展方面

        3.1數字化

        3.1.1礦山機械產品開發數字化

        目前礦山機械產品的開發呈現數字化、并行化、集成化和知識化的趨勢。其中數字已成為實現快速創新開發的核心技術。產品開發數字化的基本構思是利用數字對產品開發過程中的各種信息，包括圖形、數據、知識、技能等，進行定量表達、存儲、處和控制，從而實現以快速市場響應和創新開發為目標的全局優化運算。除傳統的CAD/CAE/CAPP/CAM等計算機輔助設計與制造技術外，支持快速產品開發的數字化技術還包括數字建模與仿真、數字樣機與虛擬制造、基于知識的設計技術和設計倉庫、基于網絡的產品協同設計等。

        產品開發數字化的一個重要特征是產品開發和產品性能的可預測性。制造過程數字仿真的目的是借助于建筑在物理學和數學基礎上的計算模型、計算機預演等手段，揭示制造工藝過程的本質，獲得知識及進行制造工藝裝備的自主設計，實現對產品制造、裝配乃至產品整個生命周期過程的預測和優化控制能力。主要內容包括：1）設計過程仿真，包括外形仿真、裝配仿真、運動學仿真、動力學仿真和多學科集成仿真等；2）加工過程仿真，包括切削過程仿真、焊接過程仿真、沖壓過程仿真和鑄造過程仿真等；3）生產過程仿真，通過建立制造系統的靜態模型和動態模型，精確預測技術可行性、加工成本、工藝質量和生產周期。

        3.1.2企業協作數字化

        以因特網為代表的網絡技術，使設計制造各個環節的信息與知識在數字化描述的基礎上得到流通與集成，從而使異地的、不同企業的資源可以共享，使企業組織的組元化、分布化和扁平化成為可能，為用戶介入生產、供應鏈與制造企業共同保證產品供貨期和質量提供了條件。大型礦山機械設備具有技術含量高、投資額大、批量少、工作環境惡劣及研制試驗周期長等特點，其開發適合采用全球分布式網絡化協作模式，能夠快速響應市場需求，實現資源的全球最優配置，通過虛擬價值鏈，快速滿足顧客價值最大化的根本需求。未來礦山機械制造系統不再是單個企業與長期合作的有限供應商的穩態組合，而是無國界的、多企業的、短期的最優的動態系統。

        3.1.3礦山數字化

        近年來，地理信息系統在許多礦山得到迅速發展，它將地質勘探數據、測量數據、地質礦床模型、全礦巷道分布、地面各種建筑設計和總圖布置綜合在一起，以三維立體形式表現礦山內礦床、巷道和建筑間的相互關系，一目了然地表面礦山的空間組成和結構，構成了“數字化礦山”的基礎。海量數據的存貯技術、數據挖掘技術、多維可視化與虛擬現實技術以及光纖維通信技術和寬帶計算機網絡技術，各種新型采掘設備、選冶設備及相關控制管理系統為數字礦山建設提供了強大的技術支持。數字化礦山的功能包括：1）生產管理。各種數據的采集、生成，實現了物流、資金流、人員流等實時動態查詢，方便了管理層的科學決策；結合全球定位系統，實現車輛的調度、設備作業定位導向、地面的工程測量等。2）生產監測控制管理包括產品質量實時監控，電鏟有效載荷稱量、鏟斗裝載精確定位檢測；設備的運行狀況診斷；能源消耗的分析；露天邊坡體形變、滑塌位移監測和排土場災害防治和控制等。
        露天礦運輸作業成本約占總成本60%，大型露天礦中電鏟和汽車調度是礦山管理的重要內容，通過GPS衛星定位和多頻道無線電通信，實現車-鏟-調度室之間的信息傳遞。在軟件上采用線性規劃加動態規劃的自動調度模式。首先在每班作業前用線性規劃做出總體安排，然后隨作業的進展在線及時地用動態規劃予以修正，美國Modular公司著名的DISPATCH軟件就是典型的示例，提高礦山企業的生產效率。

        數字化給礦山描繪了新的遠景，挖掘整合企業的信息資源，實現露天采礦工業流程的再造，完成礦床地質環境建模、生產計劃制定執行、生產調度、產品質量監控、設備狀況診斷、人員調配、物流、資金流以及工程災害預警、局域環境監測、特殊工況條件下專家評估決策等子系統的構建、融合，使整個企業成為一個完整、流暢的管理系統，

        3.2智能化

        3.2.1地下礦產資源自動化開采

        信息技術的進步，推動無人采礦技術從現行的、以傳統采礦工藝自動化為核心的自動采礦或遙控采礦，向以先進傳感器及檢測監控系統、智能采礦設備、高速數字通信網絡、新型采礦工藝過程等集成化為主要技術特征的“無人礦山”發展。

        煤礦開采實現綜采工作面液壓支架操作自動化。該技術將液壓支架的降架、升架、推移首部輸送機、拉后部輸送機、收伸側護板、噴霧灑水及放頂煤等動作由原來的手工操作改為電液自動控制、程序化操作，可以有效地減少工作面工人數量，最終實現井下無人開采自動化工作面。目前，液壓支架電液控制技術已經成熟。美國、澳大利亞和德國的液壓支架普遍使用了電液控制系統。自20世紀80年代中后期開始，加拿大Noranda技術中心為金屬礦床地下開采研制了多種自動化設備，包括LHD鏟運機和卡車的光學導航系統、遙控輔助裝載系統、自動行走系統等。這些技術及系統在推廣應用中取得了理想效果。Noranda的自動采礦技術及系統可以在不同的采礦條件下獨立運用，也可以用于中央集群多車遙控系統，較好地適應了多個礦山開采、不同生產規模和復雜礦體條件的實際需要。

        地下自動采礦需要研究與開發相應的先進傳感技術及檢測監控技術、開發智能化操作軟件，通信系統向國際標準現場總線靠攏等。井下環境要素如溫度、濕度、空氣組分、采場地壓、巷道圍巖變形等變量的檢測監控技術、礦炭爆堆的塊度及其分布、有用礦物品位及其分布等參數的實時分析技術、基于井下環境，空間距離識別、定位及導航技術，諸如埋線導航系統、無源光導系統、有源光導系統、墻壁跟蹤系統、慣性導航技術及裝備，使智能采礦設備具有視覺、力覺、感覺等功能，能感知環境變化，做出反應，具有自適應能力。

        3.2.2海底礦產資源開采遙控及無人操縱

        占地球表面71%的海洋洋底蘊藏著極其豐富的礦產資源，主要包括鎳、鈷、錳、金、銀、鋁等礦產資源。深海資源開采技術是指將深海底賦存的多金屬結核、鈷結核、多金屬硫化礦從海底采集并輸送到水面的相關技術。目前只有多金屬結核的開采技術已基本形成了具有商業開采應用前景的技術原型，主要內容包括海底電視系統、聲吶系統、傳感器與數據傳輸系統、不同賦存狀態海底礦產資源的采集方法和機構、極稀軟底和極復雜地形海底作業裝備的行走與控制技術、海洋風、浪、流作用下礦物結核長距離管道輸送技術、海洋采礦裝備的升降補償技術和整體系統聯動控制技術等。

        海底資源開采機械能夠遠距離操縱和無人駕駛，人在機器工作環境以外，通過人眼直接觀察或借助攝相機觀察機器人工作遠距離遙控操作者本身在控制室內遙控操縱，系統應具有臨場感效果，讓操作者身臨共境地進行操作，除要求從機器反饋回聲音信號外，還要求在操作上有圖形顯示能力，將在機器上采集的有關機器完好情況和工作性能的信息傳輸到操作員工作站。在采礦機器人利用多種傳感器的信息，動態實時地感和作業環境，并自主作業方面，有很多問題還有待研究。

        3.2.3機械結構健康自檢測及健康自診斷

        傳統的機械結構沒有生命、沒有智能，不能感知外界作用和內部損傷，不能做出適當響應保護自己使結構處于最佳狀態，因此外部載荷及環境的變化，以及自然及人為因素的影響，將會使結構性能下降乃至破壞，使人民生命財產受到嚴重威脅。為了保障結構的安全，設計者往往采用保守設計，增大結構尺寸與質量，從而增加消耗，降低結構的有效載荷，增加人力、財力和資源的消耗。隨著信息工作與材料科學技術的發展，科學家和工程師們從生物體進化的學習與思考中受到啟示，提出了力圖從根本上解決工程結構在全生命周期內的安全，全面提高結構性能的新思路，引入智能結構和系統的概念。智能結構以生物界的方式感知結構的狀態和外部環境，并及時做出判斷、響應和自適應。

        礦山機械的結構健康直接影響礦山安全生產和礦工生命安全，礦山機械結構自檢測及自診斷系統采用集成傳感器、控制器及執行器為一體的智能結構，賦予結構健康自診斷、環境自適應，以及損傷自修復等某些智能功能與生命特征，達到增強結構安全，減輕質量，降低能耗，提高性能的目的，是未來重大礦山機械產品在線監測的方向。

        3.3生態化

        3.3.1礦山機械綠色設計

        礦山機械是消耗資源的大戶、污染的源頭。面對日趨嚴峻的資源和環境約束，緊密圍繞4R的產品全生命周期設計和管理是降低能耗、污染，實現可持續發展戰略的重要手段。具體措施為：（1）采用長壽命、低能耗及減輕重量的設計原則。延長產品壽命，可減少機械的生產量和降低其報廢量；降低產品能耗，可減少對環境的污染；而輕量化和高效率可減少材料和資源的消耗。（2）盡量采用低環境負荷材料，盡可能不使用氟利昂（空調）、含氯橡膠、樹脂及石棉等有害材料。使廢棄零、部件處理的污染最小化及綜合成本最優化，礦山機械產品在設計初始階段就要考慮報廢件處理簡單、費用低和污染小，零、部件要解體方便、破碎容易，能焚燒處理或可作為燃料回收等問題；（3）采用能再生利用的材料和資源，特別是結構件的設計應盡可能采用比較容易裝配和分解的大模塊化結構和無毒材料，提高機械材料的再生率；（4）降低整機的振動與噪聲，減輕對周圍環境的污染。

        3.3.2燃料電池礦山機械

        燃料電池是一種將蓄藏在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。由含催化劑的陽極、陰極和導電的電解質組成。燃料在陽極氧化，氧化劑在陽極還原。電子從陽極通過外部負載流向陰極，構成電路，產生電能而驅動負載工作。燃料電池與普通電池的不同在于，它工作時需要不斷地向電池內輸入燃料和氧化劑，通過化學反應而生成水，并釋放出能。只要保持燃料供應，燃料電池就會不斷工作，不斷向負載供電。

        燃料電池具有高效、清潔、運行安靜、能量密度高的優點。美國和加拿大的一些采礦公司近年來開展了將燃料電池用于地下采礦車輛的研究。Wagner公司與加拿大INCO公司把EST-6電動地下裝載機改成燃料電池地下裝載機的試驗。Caterpillar公司將R1300型柴油地下裝載機改造成氫燃料電池-電池混合動力裝載機，裝機功率減少近一半，短時最大輸出功率高于傳統載機，實現節能和零污染。

        3.3.3地熱資源開采技術及裝備

        據科學家估計，全世界地殼10km以內的高溫巖體地熱資源量是全世界化石能源的100~1000倍，與太陽能、風能相比，高溫巖體地熱能更為集中，便于開發和利用。地熱資源，尤其是高溫巖體地熱資源的開發在發達國家得到了迅速的發展。美國洛斯拉莫斯國家實驗室最早提出了具有商業價值的高溫巖體地熱開發計劃，并于1984年在墨西哥州的FentonHill休眠火山建成了成了世界上第一座高溫巖體地熱發電站（裝機容量10MW）。隨后，日本、英國和法國都進行了工業性試驗研究，到1996年，日本地熱發電裝機容量達50萬kW,美國超過200kW。美國、日本和英國等國家對高溫巖體地熱開發系統與循環井運行規律、環境評價、出力一壽命等多方面進行了研究，保障高溫巖體地熱開發系統的正常高效運行。

        中國有極豐富的高溫巖體地熱資源，西南部受印度洋板塊的擠壓作用，東南部受菲律賓板塊的擠壓作用，東部受太平洋板塊的擠壓作用，地質活動強烈，有優越的開發條件。高溫巖體地熱開發需要高效率的破巖裝備、鉆井溫度、壓力和流量的實時測試技術與裝備、高溫巖體地熱開采成套技術與裝備等。具有自主知識產權的高溫巖體地熱開采成套技術與裝備將為礦山機械行業提供新的發展空間。

        3.4固體廢棄物處理裝備

        未來30年全球在信息技術、環境、能源、制造業等領域將出現“十大新興技術”，“固體廢棄物處理技術”被列在第二位。國家科技部強調，固體廢棄物的處理要無害化、減量化、資源化。

        （1）礦渣處理裝備。礦渣是高爐煉鐵、煉鋼過程中生產的必然產物，如每煉1噸鋼約產生12%~14%的鋼渣，目前鋼渣利用率約10%。大部分的鋼渣堆棄造成金屬和鋼渣資源的浪費，污染環境，破壞生態景觀，占用土地，不符合循環經濟和可持續發展的基本國策。國家“十一五”計劃下達了冶煉渣綜合利用率達到86%的指標，使得鋼鐵企業目前面臨鋼渣“零排放”的緊迫任務。鋼渣的破碎和粉磨需要帶有液壓保護的顎式破碎機和輥磨機，鋼渣破碎后可以實現鋼渣中金屬全部回收；使用鋼渣代替石灰石焙燒水泥熟料，實現鋼渣的資源化利用等。金剛渣的破碎和粉磨裝備的發展有著較好的發展前景，將直接推動礦渣資源的回收再利用。

        （2）廢鋼處理裝備。廢鋼鐵為鋼鐵生產中唯一能替代鐵礦石的原料，最大限度地開發應用廢鋼鐵資源是鋼鐵工業實現節能減排、清潔生產、循環經濟、緩解鐵礦石資源危機的重要途徑。我國目前廢鋼循環利用率為19.9%，遠低于世界平均水平的48.3%。國外廢鋼處理產業發展的趨勢是以廢鋼破碎分選處理為龍頭，利用環保、機電一體化等高新技術，研究并開發新型廢鋼鐵綜合處理技術，形成新的環保高科技產業及新的經濟增長點。通常，廢鋼處理需要破碎鋼片入爐，再改善回收鋼品質。廢鋼破碎機主要有兩種，即碎屑機和破碎機。破碎機有錘擊式、軋輥式和刀刃式幾種。廢鋼處理是目前國家重點解決和大力支持的節能減排項目，因此，廢鋼破碎機具有較好的應用發展前景。

        3.4宜人化

        礦山機械在產品設計中貫徹“以人為本”的原則，考慮人、機和環境的協調，采取必要的技術措施進行安全性設計，改善作業環境，降低振動與噪聲，提高操縱者舒適性。

        3.4.1安全性

        礦山機械的安全性是礦山安全生產與工作人員生命安全的保證。礦山機械的安全特性應從兩方面進行描述，一是礦山機械的安全功能，另一是相應安全功能的可靠性。不論是在含煤塵和易燃、易爆氣體的煤礦井下或井口，還是在各種金屬、非金屬礦山，只有礦山機械具有齊全的安全功能與較高的安全可靠性，才能確保礦山生產正常進行，避免安全事故的發生。各種礦山機械的安全功能因工作環境不同而不盡相同，就煤礦井下使用的提升機而言，其安全功能主要有防爆、超速及過卷保護、過載過壓保護、防墜保護等。礦山車輛安裝防傾翻防落物保持結構，并具工作狀態監測和計算機控制的安全功能，避免誤操作。

        3.4.2舒適性

        運用人機工程學設計原理，改善司機的工作環境，注重駕駛員與操作界面的協調，緩解疲勞，提高作業效率。采用省力便捷的電子化控制技術，只需通過很少量的手臂的動作就可以精確地操縱負載，用手指尖就可以操作所有重要的操作部件，減輕了司機的負擔。駕駛室采用隔熱、隔音全封閉結構，座椅采用可調節的油氣懸架系統，引入電子監控儀表盤，聲光信號報警等人性化的設計理念，為操縱人員創造安全舒適的作業環境。

        3.4.3外觀造型

        注重礦山機械外觀美學和機體本身的流線型設計，達到機械與環境的和諧，給人以視覺上的美感。礦山機械的造型不是單純的能上能外觀形式，而是功能、材料、結構、人機關系以及生產工藝等因素的綜合表現。在進行造型設計時，一方面需要運用藝術手段和美學法則，使得采用了現代技術的產品具有符合人們審美要求的造型美感；另一方面為了有效的發揮產品的功能，產品的結構和形態又必須更加合理化。

        21世紀的中國已經成為礦山機械制造大國而讓世人矚目，然而我們并不是礦山機械制造強國，我國制造的有自主知識產權的礦山機械高端產品至今并不多。通過自主創新，發展數字化、智能化、生態化與宜人化礦山機械，實現重大裝備，高端成套，為我國的經濟建設和社會發展做出更大貢獻。