工程機械的發展與其現代設計方法

于宏麗 劉艷秋

摘 要：隨著我國新型城鎮化建設扎實有序地推進以及交通運輸行業的不斷發展，工程機械的需求量在與日俱增。基于此，本文立足于國內工程機械的發展態勢，對工程機械的發展進行分析，并結合實際對其現代設計方法進行探討。

關鍵詞：工程機械；發展；設計

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

從國內工程機械企業頻頻推出的新產品不難看出，中國工程機械正朝著節能化、智能化、定制化方向發展。無論從工程機械的數量、質量，還是形式，均對現代設計方法提出了挑戰。

1 工程機械的發展

工程機械多應用在交通運輸工程建設、能源領域工程建設、原材料領域工程建設、農林基礎設施建設、水利工程建設、城市工程建設、環境保護工程建設、大型工業運輸車輛、電梯、國防工程建設用軍用工程裝備等領域。工程機械按產品類型可分為挖掘機械、鏟土運輸機械、起重機械、工業車輛、壓實機械、混凝土機械、掘進機械、路面機械與養護機械、樁工機械、市政與環衛機械、混凝土制品機械、高空作業機械、裝修機械、鋼筋與預應力機械、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，上萬個型號的產品設備，我國已成為工程機械產品類別、產品品種最齊全的國家之一[1]。

近年來，工程機械產品發展很快，成績顯著。1999年-2012年，全行業有1400余家企業，其中主機廠710家，11個企業進入世界工程機械企業50強，30多家企業上市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，產值從1999年的389億人民幣發展到2010年的4367億人民幣，2012年總產值近5000億人民幣；進出口貿易總額由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，成為世界上工程機械生產大國。

由于工程機械行業的快速發展，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存保有量大幅度增加，加上過去的發展，使能也大幅增加。又限于工程機械行業的發展過多依賴于實物產品產量的增長，而產品的技術檔次的提高，技術含量的增強，特別是技術含量對產品經濟價值提高的貢獻率不大，致高端產品的產能不足，中端產品僅能滿足要求，低端產品的產能過剩。在我國制造業加速改革之際，自主研發和生產中高端的工程機械產品是我們未來發展的重點，而用現代設計方法設計出高壽命、易操作、強可靠性的產品，是實現自主研發的首要任務。

2 現代設計方法助力中、高端工程機械產品開發

對工程機械產品的技術要求決定了其設計要求，中高端的工程機械產品首先要具有最佳的生產能力，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；最后還應具有美觀的造型和色彩。可見，在設計時應用現代設計方法：機構的優化設計、結構件及零部件的剛度和強度設計、現代化操作系統自動化和狀態監測系統設計、人機環境系統設計和產品的造型設計，是實現工程機械產品特性的有效手段。

（1）CAD在協同設計系統下實現定制化設計開發。工程機械產品結構復雜、技術含量高、設計周期長，為滿足客戶對生產產品的需求，定制化設計具有重要意義。由于其結構的復雜性，客戶期望能夠實時可視化的定制產品，清晰地表達出個性化需求。通常使用的CAD 等三維設計能夠更加形象直觀地展示產品設計，預先演示產品最終的動作以及形態，進而對產品的產出風險進行大幅度降低。但不同設計者間、設計者與裝配者間使用不同的CAD平臺，他們之間無法實現同步更新和消息傳遞。協同設計系統正可以支持CAD 環境下的實時協同，不僅可以實時獲取設計者間更改的信息，避免由于信息傳遞滯后給整體設計帶來的失敗；而且還可以及時獲取零部件設計的變更信息給裝配過程，進而調整裝配，防止之后的設計中出現錯誤[2]。以CAD可視化平臺分析和拓展客戶定制需求，以協同設計系統協調共享設計信息，實現工程機械的定制化設計開發。

（2）綜合多種設計方法實現綠色化設計開發。工程機械的綠色化設計可以從低能、節能，以及能量回收等多角度來實現。工程機械的工作裝置大多由連桿機構組成，開展機構的運動學和動力學分析、優化設計技術的研究，關注機構的最佳運動軌跡和運動速度，力圖設計出具有最佳動力傳遞方式的工程機械的產品，以此實現工程機械的低能耗。通過有限元分析技術、模型分析技術、載荷譜技術、疲勞強度分析技術，以及材料動靜態特性分析，開展結構件及零部件靜、動態剛度和強度設計，實現工程機械的有限壽命設計，并結合在產品設計之初就考慮到產品壽后進行再制造技術的主動再制造設計，可以實現工程機械產品的低碳、環保的節能設計。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設計技術日益完善，實現了發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造了技術條件[3]。

參考文獻：

[1]中國工程機械工業協會.改革開放40周年工程機械行業發展成就與展望[J].建筑機械化，2018（10）：002.

[2]李濤.探析協同設計在工程機械設計中的應用[J].電子測試，2017（02）：83.

[3]王欣，劉曉永，王盼盼.工程機械液壓系統節能技術綜述與發展[J].中國工程機械學報，2017，15（03）：235.