裝卸機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計方法的應(yīng)用與發(fā)展

蔡曉南，孫敏娜，丁金燕

（杭州華新機(jī)電工程有限公司，浙江 杭州 310000）

在新中國剛剛成立之時，我國的貿(mào)易仍然延續(xù)著以往的裝卸方式，依靠人工勞動力裝卸貨物，效率極低，導(dǎo)致貿(mào)易的發(fā)展始終停滯不前。但是隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，貿(mào)易也變得更加國際化，從向國外學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)、引進(jìn)先進(jìn)裝設(shè)備到自主研發(fā)設(shè)計自己的裝卸機(jī)械，中國在裝卸機(jī)械設(shè)計這一領(lǐng)域也已經(jīng)占有一席之位，從而帶動了裝卸機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計方法的創(chuàng)新發(fā)展。

1 裝卸機(jī)械發(fā)展趨勢

1.1 自動化和智能化

隨著國家對科技創(chuàng)新的支持力度不斷加大，在各行各業(yè)中都能夠看到科技創(chuàng)新的身影，貿(mào)易也不例外。在裝卸機(jī)械的設(shè)計中融入現(xiàn)代化科技手段已經(jīng)成為目前研究的熱點，這促使裝卸機(jī)械的設(shè)計制造將朝著自動化、智能化的方向發(fā)展[1]。

1.2 大型化和高效化

目前國內(nèi)外進(jìn)出口貿(mào)易的發(fā)展越來越繁榮，導(dǎo)致貿(mào)易壓力巨大，對貿(mào)易的運(yùn)輸能力提出了更高的要求。因此出現(xiàn)了大量大型船舶，與以往相比承載量更多，這對裝卸機(jī)械的實際操作能力有了更高的要求，這促使裝卸機(jī)械的設(shè)計更加大型化，運(yùn)輸更加高效化。如圖1 所示為大型裝卸機(jī)械。

圖1 大型貿(mào)易裝卸機(jī)械圖

1.3 專業(yè)化和多元化

貿(mào)易有著嚴(yán)格的管理體系，相關(guān)的貿(mào)易運(yùn)輸都進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)劃，變得越來越多元化，比如煤炭和礦石都需要在其專屬碼頭進(jìn)行運(yùn)輸，因此裝卸機(jī)械在設(shè)計制造時需要滿足相應(yīng)的專業(yè)化要求。

2 裝卸機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計方法應(yīng)用

2.1 極限狀態(tài)設(shè)計方法

裝卸機(jī)械的設(shè)計中需要滿足的一項重要的要求是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和承載性。裝卸機(jī)械的鋼結(jié)構(gòu)作為承擔(dān)載荷的主要機(jī)械構(gòu)造需要采用合適的方法進(jìn)行設(shè)計。在初期，所采用的方法是許用應(yīng)力設(shè)計法，目前廣泛應(yīng)用的極限狀態(tài)設(shè)計方法也是從這個方法演化而來的[2]。許用應(yīng)力設(shè)計法通過計算鋼材屈服強(qiáng)度與經(jīng)驗安全系數(shù)比值得到許用應(yīng)力，但是這種方法存在一個較為嚴(yán)重的問題，經(jīng)驗安全系數(shù)的干擾條件較多，要想得到真實的經(jīng)驗安全系數(shù)難度較大，在獲取過程中一旦受到影響因素的干擾，將會導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此采用這種方法設(shè)計機(jī)械存在一定的安全隱患。

隨著大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，許用應(yīng)力設(shè)計法得到了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了極限狀態(tài)設(shè)計方法。這種方法借助大數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢計算得到風(fēng)險概率，進(jìn)而對鋼結(jié)構(gòu)的安全程度進(jìn)行估計，彌補(bǔ)了許用應(yīng)力設(shè)計法的缺點。1988 年，我國正式將極限狀態(tài)設(shè)計法納入了《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》中，因此，在后來的發(fā)展中極限狀態(tài)設(shè)計法成為了港口裝卸機(jī)械設(shè)計的主要方法之一。

2.2 優(yōu)化設(shè)計方法

優(yōu)化設(shè)計方法主要是借助電子計算機(jī)的計算能力和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法建立的擇優(yōu)設(shè)計方法，可以對復(fù)雜的方案進(jìn)行有效的擇取。在裝卸機(jī)械的設(shè)計過程中，需要考慮的客觀因素主要有成本、重量、承載力以及壽命等，并且將這些因素以參數(shù)的形式進(jìn)行定量，因此可以采用優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行計算，得到最優(yōu)的設(shè)計目標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計方法主要被應(yīng)用于裝卸機(jī)械的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配設(shè)計方面，但目前只是針對單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，但是在多個目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計上，仍處于研究階段。

2.3 可靠性設(shè)計方法

裝卸機(jī)械的可靠性直接決定著貿(mào)易的運(yùn)輸效率和裝卸的安全性。但是目前的裝卸機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能繁多，在使用的過程中受到多方面因素的影響，大大增加了機(jī)械故障發(fā)生的概率，一旦機(jī)械罷工，將會給貿(mào)易帶來巨大的損失。因此，在裝卸機(jī)械的設(shè)計過程中需要重點關(guān)注其可靠性設(shè)計。

裝卸機(jī)械的可靠性設(shè)計可以追溯到二十世紀(jì)七十年代，當(dāng)時很多國家在設(shè)計裝卸機(jī)械時意識到可靠性分析的重要性，并且制定了相關(guān)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，將可靠性分析列為了設(shè)計重點。我國在可靠性設(shè)計方面相對比較落后，但經(jīng)過長期的發(fā)展，現(xiàn)階段的研究水平可以做到對裝卸機(jī)械的可靠性試驗和失效分析。

2.4 計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）方法

目前市場對港口裝卸機(jī)械產(chǎn)品的要求越來越高，產(chǎn)品的種類也變得更加豐富，這給設(shè)計制造領(lǐng)域帶來了巨大的壓力。傳統(tǒng)的設(shè)計制造主要采用人工進(jìn)行設(shè)計，適合較為簡單且規(guī)模較小的產(chǎn)品設(shè)計，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)階段的發(fā)展要求，因此，CAD 技術(shù)的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了這一局面。目前，CAD 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個工程制造領(lǐng)域，充分利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算功能和數(shù)據(jù)處理能力等優(yōu)勢，開發(fā)與相關(guān)理論相適應(yīng)的制圖軟件，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品設(shè)計的效率，使整個設(shè)計過程變得更加智能直觀[3]。如圖2 為CAD機(jī)械制圖界面。

圖2 CAD 機(jī)械制圖界面

目前CAD 技術(shù)在國內(nèi)外的機(jī)械的設(shè)計中都得到了廣泛的應(yīng)用，甚至完全代替了傳統(tǒng)的圖版制圖方式。同時利用計算機(jī)開發(fā)相關(guān)設(shè)計系統(tǒng)，提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，推動裝卸機(jī)械的智能化發(fā)展。

2.5 有限元分析設(shè)計方法

有限元法主要是從數(shù)學(xué)分析發(fā)展而來的，最開始的應(yīng)用于數(shù)學(xué)物理等問題的求解上。由于計算機(jī)的發(fā)展，這種方法的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大到工程設(shè)計的領(lǐng)域。有限元法的局限性較小，不僅能夠?qū)唵谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行高效分析，對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜且多自由度的系統(tǒng)同樣具備可靠的分析效果，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計計算方法分析單一性的缺點[4]。有限元法具有非常可觀的應(yīng)用優(yōu)勢，能夠為裝卸機(jī)械提供更加直觀豐富的設(shè)計結(jié)果，尤其是在大型裝卸機(jī)械的應(yīng)用中，表現(xiàn)出優(yōu)越的計算能力。

2.6 三次設(shè)計方法

三次設(shè)計法始于日本，這種方法不僅可以應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)上，同時對新工藝的研發(fā)也有著重要的意義。三次設(shè)計法主要過程如下：（1）系統(tǒng)及功能的設(shè)計。在設(shè)計之前根據(jù)產(chǎn)品的具體要求制定相應(yīng)的設(shè)計方案，主要設(shè)計產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)并滿足產(chǎn)品的全部功能。（2）參數(shù)的設(shè)計。產(chǎn)品的參數(shù)是設(shè)計過程中的重點，需要考慮到具體的可控因素，并在此基礎(chǔ)上求取最合理的參數(shù)，將影響控制到最低。（3）容差的設(shè)計。容差設(shè)計主要是針對各個零件的參數(shù)波動所作的針對性設(shè)計，目的是控制總損失的基礎(chǔ)上優(yōu)化最大誤差波動，提高產(chǎn)品性能。

三次設(shè)計法廣泛應(yīng)用于日本的各個行業(yè)中，為企業(yè)帶來了非常可觀的效益，因此我國也正在將三次設(shè)計法應(yīng)用于裝卸機(jī)械的設(shè)計中，并加大推廣力度，使其在各個行業(yè)中都能夠發(fā)揮有效的作用。

3 結(jié)束語

為了促進(jìn)貿(mào)易的發(fā)展，提高貿(mào)易的運(yùn)輸效率，需要進(jìn)一步提高裝卸機(jī)械的現(xiàn)代化設(shè)計水平。目前，很多企業(yè)已經(jīng)將高新技術(shù)融入到裝卸機(jī)械現(xiàn)代化設(shè)計中，同時加大設(shè)計方法的研究力度，使當(dāng)前裝卸機(jī)械向著自動化、智能化、大型化、高效化、專業(yè)化和多元化的方向蓬勃發(fā)展。