工程機(jī)械的發(fā)展與其現(xiàn)代設(shè)計方法

于宏麗 劉艷秋

摘 要：隨著我國新型城鎮(zhèn)化建設(shè)扎實有序地推進(jìn)以及交通運輸行業(yè)的不斷發(fā)展，工程機(jī)械的需求量在與日俱增。基于此，本文立足于國內(nèi)工程機(jī)械的發(fā)展態(tài)勢，對工程機(jī)械的發(fā)展進(jìn)行分析，并結(jié)合實際對其現(xiàn)代設(shè)計方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；發(fā)展；設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.018

從國內(nèi)工程機(jī)械企業(yè)頻頻推出的新產(chǎn)品不難看出，中國工程機(jī)械正朝著節(jié)能化、智能化、定制化方向發(fā)展。無論從工程機(jī)械的數(shù)量、質(zhì)量，還是形式，均對現(xiàn)代設(shè)計方法提出了挑戰(zhàn)。

1 工程機(jī)械的發(fā)展

工程機(jī)械多應(yīng)用在交通運輸工程建設(shè)、能源領(lǐng)域工程建設(shè)、原材料領(lǐng)域工程建設(shè)、農(nóng)林基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、水利工程建設(shè)、城市工程建設(shè)、環(huán)境保護(hù)工程建設(shè)、大型工業(yè)運輸車輛、電梯、國防工程建設(shè)用軍用工程裝備等領(lǐng)域。工程機(jī)械按產(chǎn)品類型可分為挖掘機(jī)械、鏟土運輸機(jī)械、起重機(jī)械、工業(yè)車輛、壓實機(jī)械、混凝土機(jī)械、掘進(jìn)機(jī)械、路面機(jī)械與養(yǎng)護(hù)機(jī)械、樁工機(jī)械、市政與環(huán)衛(wèi)機(jī)械、混凝土制品機(jī)械、高空作業(yè)機(jī)械、裝修機(jī)械、鋼筋與預(yù)應(yīng)力機(jī)械、鑿巖機(jī)械、氣動工具、軍用工程機(jī)械、電梯與扶梯、工程機(jī)械配套件、其他專用工程機(jī)械20大類，109組，450種基型，1090個系列，上萬個型號的產(chǎn)品設(shè)備，我國已成為工程機(jī)械產(chǎn)品類別、產(chǎn)品品種最齊全的國家之一[1]。

近年來，工程機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展很快，成績顯著。1999年-2012年，全行業(yè)有1400余家企業(yè)，其中主機(jī)廠710家，11個企業(yè)進(jìn)入世界工程機(jī)械企業(yè)50強(qiáng)，30多家企業(yè)上市A股和H股；銷售總額已超過美國、德國、日本，位居世界第一位，產(chǎn)值從1999年的389億人民幣發(fā)展到2010年的4367億人民幣，2012年總產(chǎn)值近5000億人民幣；進(jìn)出口貿(mào)易總額由2001年的22.19億美元上升到2010年的187.4億美元，增長8.23倍，其中進(jìn)口貿(mào)易總額由2001年的15.5億美元上升至2010年的84億美元，增長5.42倍，出口總額由2001年的6.8億美元增加到2010年的103億美元，增加了15倍。盡管，近幾年總產(chǎn)值有所下降，但出口額仍然大幅度上升，2015年達(dá)到近200億美元，我國工程機(jī)械出口至200多個國家和地區(qū)，成為世界上工程機(jī)械生產(chǎn)大國。

由于工程機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，一方面使我國工程機(jī)械自給率由2010年的82.7%提升到2015年的92.6%，另一方面也使我國工程機(jī)械的現(xiàn)存保有量大幅度增加，加上過去的發(fā)展，使能也大幅增加。又限于工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展過多依賴于實物產(chǎn)品產(chǎn)量的增長，而產(chǎn)品的技術(shù)檔次的提高，技術(shù)含量的增強(qiáng)，特別是技術(shù)含量對產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價值提高的貢獻(xiàn)率不大，致高端產(chǎn)品的產(chǎn)能不足，中端產(chǎn)品僅能滿足要求，低端產(chǎn)品的產(chǎn)能過剩。在我國制造業(yè)加速改革之際，自主研發(fā)和生產(chǎn)中高端的工程機(jī)械產(chǎn)品是我們未來發(fā)展的重點，而用現(xiàn)代設(shè)計方法設(shè)計出高壽命、易操作、強(qiáng)可靠性的產(chǎn)品，是實現(xiàn)自主研發(fā)的首要任務(wù)。

2 現(xiàn)代設(shè)計方法助力中、高端工程機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)

對工程機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)要求決定了其設(shè)計要求，中高端的工程機(jī)械產(chǎn)品首先要具有最佳的生產(chǎn)能力，并且在有限的材料用量前提下具有良好的工作可靠性；同時，對于用戶具而言，還需要有最好的操作性能和最佳的人體操作舒適性；最后還應(yīng)具有美觀的造型和色彩。可見，在設(shè)計時應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法：機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)件及零部件的剛度和強(qiáng)度設(shè)計、現(xiàn)代化操作系統(tǒng)自動化和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計、人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品的造型設(shè)計，是實現(xiàn)工程機(jī)械產(chǎn)品特性的有效手段。

（1）CAD在協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)下實現(xiàn)定制化設(shè)計開發(fā)。工程機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、設(shè)計周期長，為滿足客戶對生產(chǎn)產(chǎn)品的需求，定制化設(shè)計具有重要意義。由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，客戶期望能夠?qū)崟r可視化的定制產(chǎn)品，清晰地表達(dá)出個性化需求。通常使用的CAD 等三維設(shè)計能夠更加形象直觀地展示產(chǎn)品設(shè)計，預(yù)先演示產(chǎn)品最終的動作以及形態(tài)，進(jìn)而對產(chǎn)品的產(chǎn)出風(fēng)險進(jìn)行大幅度降低。但不同設(shè)計者間、設(shè)計者與裝配者間使用不同的CAD平臺，他們之間無法實現(xiàn)同步更新和消息傳遞。協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)正可以支持CAD 環(huán)境下的實時協(xié)同，不僅可以實時獲取設(shè)計者間更改的信息，避免由于信息傳遞滯后給整體設(shè)計帶來的失敗；而且還可以及時獲取零部件設(shè)計的變更信息給裝配過程，進(jìn)而調(diào)整裝配，防止之后的設(shè)計中出現(xiàn)錯誤[2]。以CAD可視化平臺分析和拓展客戶定制需求，以協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)協(xié)調(diào)共享設(shè)計信息，實現(xiàn)工程機(jī)械的定制化設(shè)計開發(fā)。

（2）綜合多種設(shè)計方法實現(xiàn)綠色化設(shè)計開發(fā)。工程機(jī)械的綠色化設(shè)計可以從低能、節(jié)能，以及能量回收等多角度來實現(xiàn)。工程機(jī)械的工作裝置大多由連桿機(jī)構(gòu)組成，開展機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的研究，關(guān)注機(jī)構(gòu)的最佳運動軌跡和運動速度，力圖設(shè)計出具有最佳動力傳遞方式的工程機(jī)械的產(chǎn)品，以此實現(xiàn)工程機(jī)械的低能耗。通過有限元分析技術(shù)、模型分析技術(shù)、載荷譜技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析技術(shù)，以及材料動靜態(tài)特性分析，開展結(jié)構(gòu)件及零部件靜、動態(tài)剛度和強(qiáng)度設(shè)計，實現(xiàn)工程機(jī)械的有限壽命設(shè)計，并結(jié)合在產(chǎn)品設(shè)計之初就考慮到產(chǎn)品壽后進(jìn)行再制造技術(shù)的主動再制造設(shè)計，可以實現(xiàn)工程機(jī)械產(chǎn)品的低碳、環(huán)保的節(jié)能設(shè)計。工程機(jī)械負(fù)載功率波動大、能量損失嚴(yán)重，這個工況特點讓能量回收成為可能；而新型能量回收液壓系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)日益完善，實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)多余動能和負(fù)載勢能、動能的回收再利用，為工程機(jī)械輸出能量的回收再利用創(chuàng)造了技術(shù)條件[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會.改革開放40周年工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展成就與展望[J].建筑機(jī)械化，2018（10）：002.

[2]李濤.探析協(xié)同設(shè)計在工程機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用[J].電子測試，2017（02）：83.

[3]王欣，劉曉永，王盼盼.工程機(jī)械液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述與發(fā)展[J].中國工程機(jī)械學(xué)報，2017，15（03）：235.