工程機(jī)械的發(fā)展與其現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

楊曦

摘要：從國(guó)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(guó)工程機(jī)械正朝著節(jié)能化、智能化、定制化方向發(fā)展。無(wú)論從工程機(jī)械的數(shù)量、質(zhì)量，還是形式，均對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法提出了挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;發(fā)展;現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：X701

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

面對(duì)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，如何在競(jìng)爭(zhēng)中求生存才是尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要突破口，而在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用好創(chuàng)新思維可以很好的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的質(zhì)的飛躍。盡管我國(guó)的機(jī)械工程設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了不小的成就，但是仍然會(huì)存在各種問(wèn)題阻礙其繼續(xù)發(fā)展，這就需要順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)融入創(chuàng)新思維理念，使得我國(guó)的機(jī)械工程設(shè)計(jì)更好地為經(jīng)濟(jì)發(fā)展添磚加瓦。

1工程機(jī)械的發(fā)展

工程機(jī)械多應(yīng)用在交通運(yùn)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(yùn)輸車輛、電梯、國(guó)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(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)械、工業(yè)車輛、壓實(shí)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(dòng)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(gè)系列，上萬(wàn)個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品設(shè)備，我國(guó)已成為工程機(jī)械產(chǎn)品類別、產(chǎn)品品種最齊全的國(guó)家之一。

近年來(lái)，工程機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展很快，成績(jī)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(gè)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(guò)美國(guó)、德國(guó)、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(zhǎng) 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(zhǎng) 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(guó)工程機(jī)械出口至 200 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，成為世界上工程機(jī)械生產(chǎn)大國(guó)。

由于工程機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，一方面使我國(guó)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(guó)工程機(jī)械的現(xiàn)存保有量大幅度增加，加上過(guò)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(guò)多依賴于實(shí)物產(chǎn)品產(chǎn)量的增長(zhǎng)，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(duì)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)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(guò)剩。在我國(guó)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(lái)發(fā)展的重點(diǎn)，而用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出高壽命、易操作、強(qiáng)可靠性的產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)的首要任務(wù)。

2工程機(jī)械現(xiàn)代化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1在機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)其整體功能的基礎(chǔ)，因此其設(shè)計(jì)方案是重中之重。創(chuàng)新思維在設(shè)計(jì)中的運(yùn)用就是需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶需求，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行構(gòu)思，充分了解各機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作方式，保證各部件的單獨(dú)動(dòng)作和部件之間的聯(lián)動(dòng)，同時(shí)還需要考慮工藝、效率、性能、成本等多方面要素。因此為了保障機(jī)械產(chǎn)品的完美運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)人員將創(chuàng)新思維融入設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮多方面要素進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)化配置。例如，在設(shè)計(jì)自動(dòng)包裝機(jī)械手爪產(chǎn)品時(shí)，合理設(shè)置各氣缸之間的動(dòng)作方式，避免機(jī)械碰撞導(dǎo)致機(jī)械停運(yùn)。

2.2實(shí)現(xiàn)了機(jī)械產(chǎn)品新能源設(shè)計(jì)需求

在機(jī)械工程的發(fā)展過(guò)程中，必然會(huì)導(dǎo)致能源的使用，甚至?xí)斐森h(huán)境的破壞與污染。傳統(tǒng)的機(jī)械工程對(duì)于能源的使用導(dǎo)致部分的不可再生資源枯竭，而創(chuàng)新思維在其中的應(yīng)用可以引導(dǎo)設(shè)計(jì)者能開發(fā)出更多清潔型可再生資源來(lái)保證機(jī)械工程的順利進(jìn)行。可以改變?cè)械膫鹘y(tǒng)型的能源的設(shè)計(jì)思路，轉(zhuǎn)變新的思路為開發(fā)應(yīng)用型能源，這無(wú)一不是創(chuàng)新思維在其中發(fā)揮的重要作用。我們熟知的汽車所采用的能源便是石油為原材料，但是越來(lái)越多的新型電動(dòng)汽車問(wèn)世可以說(shuō)很大程度的解決了石油的使用壓力，并且對(duì)于環(huán)境無(wú)任何的污染影響。總而言之，創(chuàng)新思維的使用可以利用新型的可再生資源代替不可再生資源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)社會(huì)、人類以及環(huán)境的有機(jī)統(tǒng)一。

在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，動(dòng)力源的設(shè)計(jì)需要融入更多的創(chuàng)新思維。隨著新能源的利用更加廣泛，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)動(dòng)力源時(shí)擁有更多的選項(xiàng)，此時(shí)，需要設(shè)計(jì)人員發(fā)揮創(chuàng)造性的思維來(lái)考慮動(dòng)力、成本、環(huán)保等多方面要素，最終確定最合適的動(dòng)力源。例如電力驅(qū)動(dòng)的汽車設(shè)計(jì)，采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，利用電能最為動(dòng)力能源，降低了有害氣體、顆粒的排放，保護(hù)了環(huán)境，采用獨(dú)特的充電技術(shù)，大大縮短充電時(shí)間，保證電動(dòng)汽車的使用基礎(chǔ)。

2.3 CAD 在協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)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(jì)周期長(zhǎng)，為滿足客戶對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品的需求，定制化設(shè)計(jì)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(shí)可視化的定制產(chǎn)品，清晰地表達(dá)出個(gè)性化需求。通常使用的 CAD 等三維設(shè)計(jì)能夠更加形象直觀地展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)，預(yù)先演示產(chǎn)品最終的動(dòng)作以及形態(tài)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)出風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行大幅度降低。但不同設(shè)計(jì)者間、設(shè)計(jì)者與裝配者間使用不同的 CAD 平臺(tái)，他們之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步更新和消息傳遞。協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)正可以支持 CAD 環(huán)境下的實(shí)時(shí)協(xié)同，不僅可以實(shí)時(shí)獲取設(shè)計(jì)者間更改的信息，避免由于信息傳遞滯后給整體設(shè)計(jì)帶來(lái)的失敗;而且還可以及時(shí)獲取零部件設(shè)計(jì)的變更信息給裝配過(guò)程，進(jìn)而調(diào)整裝配，防止之后的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)錯(cuò)誤。以 CAD可視化平臺(tái)分析和拓展客戶定制需求，以協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)共享設(shè)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的定制化設(shè)計(jì)開發(fā)。

2.4綜合多種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)綠色化設(shè)計(jì)開發(fā)

工程機(jī)械的綠色化設(shè)計(jì)可以從低能、節(jié)能，以及能量回收等多角度來(lái)實(shí)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，關(guān)注機(jī)構(gòu)的最佳運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度，力圖設(shè)計(jì)出具有最佳動(dòng)力傳遞方式的工程機(jī)械的產(chǎn)品，以此實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的低能耗。通過(guò)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(dòng)靜態(tài)特性分析，開展結(jié)構(gòu)件及零部件靜、動(dòng)態(tài)剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的有限壽命設(shè)計(jì)，并結(jié)合在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就考慮到產(chǎn)品壽后進(jìn)行再制造技術(shù)的主動(dòng)再制造設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械產(chǎn)品的低碳、環(huán)保的節(jié)能設(shè)計(jì)。工程機(jī)械負(fù)載功率波動(dòng)大、能量損失嚴(yán)重，這個(gè)工況特點(diǎn)讓能量回收成為可能;而新型能量回收液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)日益完善 ， 實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)多余動(dòng)能和負(fù)載勢(shì)能、動(dòng)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。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，創(chuàng)新思維對(duì)于機(jī)械工程的發(fā)展至關(guān)重要，只有不斷地開拓創(chuàng)新才可以在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。創(chuàng)新思維的應(yīng)用不僅可以提高機(jī)械工程所研發(fā)產(chǎn)品的性能，而且可以更好地滿足市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不同需求。機(jī)械工程在發(fā)展的過(guò)程中，應(yīng)該始終秉承著創(chuàng)新思維，與現(xiàn)代的高新技術(shù)相結(jié)合，推動(dòng)機(jī)械化工程設(shè)計(jì)始終走在世界發(fā)展的前列。

參考文獻(xiàn)

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