工程機械的發(fā)展與其現(xiàn)代設(shè)計方法

楊曦

摘要：從國內(nèi)工程機械企業(yè)頻頻推出的新產(chǎn)品不難看出，中國工程機械正朝著節(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)。

關(guān)鍵詞：工程機械;發(fā)展;現(xiàn)代設(shè)計方法

中圖分類號：X701

文獻標識碼：A

引言

面對激烈的競爭，如何在競爭中求生存才是尋求經(jīng)濟發(fā)展的重要突破口，而在機械工程設(shè)計中運用好創(chuàng)新思維可以很好的實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展的質(zhì)的飛躍。盡管我國的機械工程設(shè)計已經(jīng)取得了不小的成就，但是仍然會存在各種問題阻礙其繼續(xù)發(fā)展，這就需要順應(yīng)時代發(fā)展的趨勢融入創(chuàng)新思維理念，使得我國的機械工程設(shè)計更好地為經(jīng)濟發(fā)展添磚加瓦。

1工程機械的發(fā)展

工程機械多應(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。工程機械按產(chǎn)品類型可分為挖掘機械、鏟土運輸機械、起重機械、工業(yè)車輛、壓實機械、混凝土機械、掘進機械、路面機械與養(yǎng)護機械、樁工機械、市政與環(huán)衛(wèi)機械、混凝土制品機械、高空作業(yè)機械、裝修機械、鋼筋與預應(yīng)力機械、鑿巖機械、氣動工具、軍用工程機械、電梯與扶梯、工程機械配套件、其他專用工程機械 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，我國已成為工程機械產(chǎn)品類別、產(chǎn)品品種最齊全的國家之一。

近年來，工程機械產(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)，其中主機廠 710 家，11 個企業(yè)進入世界工程機械企業(yè) 50 強，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 年達到近 200 億美元，我國工程機械出口至 200 多個國家和地區(qū)，成為世界上工程機械生產(chǎn)大國。

由于工程機械行業(yè)的快速發(fā)展，一方面使我國工程機械自給率由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，特別是技術(shù)含量對產(chǎn)品經(jīng)濟價值提高的貢獻率不大，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、強可靠性的產(chǎn)品，是實現(xiàn)自主研發(fā)的首要任務(wù)。

2工程機械現(xiàn)代化設(shè)計要點

2.1在機械產(chǎn)品運動方案設(shè)計中的運用

機械產(chǎn)品的運動是實現(xiàn)其整體功能的基礎(chǔ)，因此其設(shè)計方案是重中之重。創(chuàng)新思維在設(shè)計中的運用就是需要設(shè)計人員根據(jù)客戶需求，對機械產(chǎn)品進行構(gòu)思，充分了解各機械結(jié)構(gòu)的動作方式，保證各部件的單獨動作和部件之間的聯(lián)動，同時還需要考慮工藝、效率、性能、成本等多方面要素。因此為了保障機械產(chǎn)品的完美運行，需要設(shè)計人員將創(chuàng)新思維融入設(shè)計過程中，考慮多方面要素進行運動方案設(shè)計設(shè)計，實現(xiàn)資源最優(yōu)化配置。例如，在設(shè)計自動包裝機械手爪產(chǎn)品時，合理設(shè)置各氣缸之間的動作方式，避免機械碰撞導致機械停運。

2.2實現(xiàn)了機械產(chǎn)品新能源設(shè)計需求

在機械工程的發(fā)展過程中，必然會導致能源的使用，甚至會造成環(huán)境的破壞與污染。傳統(tǒng)的機械工程對于能源的使用導致部分的不可再生資源枯竭，而創(chuàng)新思維在其中的應(yīng)用可以引導設(shè)計者能開發(fā)出更多清潔型可再生資源來保證機械工程的順利進行?？梢愿淖冊械膫鹘y(tǒng)型的能源的設(shè)計思路，轉(zhuǎn)變新的思路為開發(fā)應(yīng)用型能源，這無一不是創(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，但是越來越多的新型電動汽車問世可以說很大程度的解決了石油的使用壓力，并且對于環(huán)境無任何的污染影響?？偠灾瑒?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，進而實現(xiàn)社會、人類以及環(huán)境的有機統(tǒng)一。

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

2.3 CAD 在協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)下實現(xiàn)定制化設(shè)計開發(fā)

工程機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜、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，預先演示產(chǎn)品最終的動作以及形態(tài)，進而對產(chǎn)品的產(chǎn)出風險進行大幅度降低。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，進而調(diào)整裝配，防止之后的設(shè)計中出現(xiàn)錯誤。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)工程機械的定制化設(shè)計開發(fā)。

2.4綜合多種設(shè)計方法實現(xiàn)綠色化設(shè)計開發(fā)

工程機械的綠色化設(shè)計可以從低能、節(jié)能，以及能量回收等多角度來實現(xiàn)。工程機械的工作裝置大多由連桿機構(gòu)組成，開展機構(gòu)的運動學和動力學分析、優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的研究，關(guān)注機構(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械的產(chǎn)品，以此實現(xiàn)工程機械的低能耗。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)剛度和強度設(shè)計，實現(xiàn)工程機械的有限壽命設(shè)計，并結(jié)合在產(chǎn)品設(shè)計之初就考慮到產(chǎn)品壽后進行再制造技術(shù)的主動再制造設(shè)計，可以實現(xiàn)工程機械產(chǎn)品的低碳、環(huán)保的節(jié)能設(shè)計。工程機械負載功率波動大、能量損失嚴重，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)動機多余動能和負載勢能、動能的回收再利用，為工程機械輸出能量的回收再利用創(chuàng)造了技術(shù)條件。

結(jié)束語

綜上所述，創(chuàng)新思維對于機械工程的發(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爭中立于不敗之地。創(chuàng)新思維的應(yīng)用不僅可以提高機械工程所研發(fā)產(chǎn)品的性能，而且可以更好地滿足市場經(jīng)濟發(fā)展的不同需求。機械工程在發(fā)展的過程中，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，推動機械化工程設(shè)計始終走在世界發(fā)展的前列。

參考文獻

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