磨机设计的30年变化
2020.08.06
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作者 Moris Fresko.jpg

磨机是矿山最要的设备之一,每小时可处理数千吨矿石。现在,单系列磨矿回路并不少见,通常由1台半自磨机和2台球磨机组成,日收益可超过100万美元。由于磨机全天候24小时运转,因机械故障造成的收入损失是无法弥补的。
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磨机设计工作至关重要,需要专业的软件工具、专有计算工作表,以及经验丰富的技术工程师和绘图员。本文将回顾磨机设计在过去30年的变化。这些变化大多是积极的,但也出现了一些新问题。

如今,我们做任何事情几乎都离不开电脑


上世纪80年代末,当我开始从事这个行业的时候,只有少数人可以使用电脑。绘图(绘制详细工程图纸)和计算都是手工完成的,报告是在打字机上敲出来的,展示材料是用幻灯片或透明投影仪做演示,而使用有限元分析(FEA)的更复杂设计则是通过调制解调器连接在外部计算机上进行的。虽然人们可能认为那时很落后,但我们今天使用的大部分技术都是在那时发展起来的。大家有目共睹,那个年代设计的磨机如今仍然运转良好,新磨机看起来与旧磨机并没有太大的不同。
然而,随着计算机的发展,设计过程发生了巨大的变化。一个常规的磨机有限元分析,在上世纪80年代末需要在一台小型计算机上花费大约3个小时,而在今天的笔记本电脑上只需要花3分钟。分析人员能够在模型中添加更多的细节(提高精确性),并检查多个选项以优化设计和成本,不再局限于每天只能运算1或2次。同样地,使用计算流体动力学(CFD)来模拟水力流动也只是近几年才实现的。随着计算能力的提高,计算机图形学和三维建模得到了极大的发展,硬件成本也大幅下降。
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专用工具,比如带三维图形的有限元分析(FEA)软件,很容易用于设计磨机和查看计算结果
如今,大多数工程计算都是使用电子表格完成的,这样可以减少错误,并且更清晰地显示结果。然而,使用这种成熟和现成的计算表可能会妨碍设计者成为专家,因为他们不必理解这些工具背后的公式或逻辑就可以轻易得到结果。
制图可能是这些年来变化最大的。它始于在个人电脑上引入计算机辅助设计(CAD)软件包,如AutoCAD。随着时间推移,三维建模与制图投入使用,可以检查不同磨机部件之间的间隙、干涉和配合。最后,CAD软件包开始具备尺寸驱动的参数化设计功能,通过改变局部尺寸,类似的模型可以在几分钟内生成,几何图形可以自动重建,就像使用电子表格一样简单。然后,这些模型可以传递到FEA软件包进行结构评估,而不需要在每个软件中创建各自的模型。
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三维磨机模型不仅可以用于演示、手册和培训,还可以用于检查不同组件之间的间隙、干涉和配合
这些技术进步的主要益处是,图纸清晰易读、易修改、方便电子方式递交、便于搜索和不占用物理存储空间等等。最近,我们看到越来越多的制造厂申请使用原生电子文件(不仅仅是电子版打印文件),以便他们可以根据模型对加工工具进行程序设定,这样能加快制造过程并减少错误。
最后,为了对所有的电子文件进行整理和控制,软件保险库正变得越来越普遍。它可以实现图纸的存取、绘图员/审核人/工程师的强制性批准、物料清单的自动创建、图纸签发时的采购申请、图纸修改时的采购暂停与警示,同时防止大规模信息窃取等行为

磨机规格不能再大了吗?


每当客户有兴趣购买比之前规格更大的磨机时,都会使行业和工程设计团队感到兴奋。相比于采用插值法制造中型设备,外推法设计要困难得多,也极富挑战。第一台42英尺半自磨机于2010年11月设计制造,制造和加工这么大的设备时遇到了很多问题。当我们努力突破极限时,成本就会呈指数级上升。这个挑战落在了工程师身上:如何使用创造性的方法优化磨机设计。
我们看到,矿山客户在过去10年里不再有兴趣购买更大的机器,而是转向对现有设备的设计变更,这样不用追求过多的创新和研发。
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以上图表显示,在过去10年左右的时间里,磨机规格并没有出现显著增大。请注意,球磨机比半自磨机更重,因此,可能会误认为大型半自磨机设计会引领发展方向。参考文献:自磨和半自磨机,作者:F. Tozlu, M. Fresko,2015年9月,2015不列颠哥伦比亚省温哥华半自磨机研讨会。

原始设备制造商合并对磨机设计的影响


上世纪70~80年代出现了一波磨机设备制造商合并的浪潮。那些年间,只有屈指可数的几家设备制造商之间相互竞争,具有大型半自磨机或球磨机投标能力的制造商不超过两到三家。工程设计办公室在那段时间里开始花费大部分精力整合来自每个收购的姊妹公司的先进技术,并融入到其磨机生产线中。这开启了“磨机部件标准化”的浪潮。在这段时间里,技术研发工作不但止步不前,反而还有所倒退。

磨机正在成为一种商品吗


某种程度上,是的。客户,甚至是磨机供应商内部的销售和项目管理团队,都希望将工程成本和设计延迟降到最低程度。这不利于定制和追求富有创新性的新设计。在过去30年里,磨机制造商没能说服客户及其工程咨询公司购买完全标准或现成规格的磨机。相反,这个行业正在从完全定制的设备转向几乎标准化设备,只需根据需要增减选装件而已。因此,现在大部分设计工作致力于开发快速和低成本的磨机设计工具

培训和知识产权保护


由于设计工具越来越复杂,不仅需要对新员工进行产品和基础技术培训,还需要进行现有的专有设计工具培训,例如计算表单、图纸和模型、存储和检索程序等。员工退休时,交接所有数字化工作文件和工具非常简单,但如果没有合适的培训,想弄清楚这些是什么往往是一场噩梦。
随着所有信息数字化,知识产权保护在过去几年里已经成为一个严肃的问题。几乎每一家开发技术和制作详细工程图纸的公司都曾遭遇过信息技术盗窃,而且这些盗窃诉讼对象通常是前雇员。为了避免知识产权盗窃,这些公司实施了各种各样的防范工具(软件保险库),这又会因为增加的许多冗杂流程而减慢设计进度

从业人员在过去30年有何变化


在手工绘图的年代,工程设计部门里每个工程师大约配置2个绘图员。今天,这个比例大约是1比1。现在的工程师也使用CAD工具来创建模型和绘图,这在过去是很难做到的。
我们还看到,随着数字通信和全球信息共享变得越来越方便,工程设计岗位正在向成本更低的国家转移。拥有遍布世界各地的技术人员,可以让多个设计师在不同时区工作,从而缩短项目的交付时间。随着零部件制造业向具有成本竞争力优势的国家转移,在当地工厂附近配备技术人员也有助于质量控制和解决制造问题。
女性绘图员和设计工程师的比例多年来并没有提高(其他部门的女性比例要高得多)。虽然磨机供应商鼓励并有针对性地提高女性绘图员和女性工程师的招聘,但极少有候选人对这些岗位感兴趣。矿山仍然被认为是男性主导的行业,因为这些岗位有时需要到矿山现场工作

总结


随着计算机的使用,磨机设计已经有了长足的进步,大部分是积极的。由于磨机规格受制造能力的限制,设计工作的重点已从挑战极限转向开发设计工具,使磨机制造成本更低、速度更快。设计团队日益全球化分工合作。随着所使用设计工具的日益复杂,我们变得越来越依赖磨机设计专家。



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