工程機械的發展與其現代設計方法

李新剛

摘要：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。

關鍵詞：工程機械;發展;現代設計方法

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濟發展的重要突破口，而在機械工程設計中運用好創新思維可以很好的實現經濟發展的質的飛躍。盡管我國的機械工程設計已經取得了不小的成就，但是仍然會存在各種問題阻礙其繼續發展，這就需要順應時代發展的趨勢融入創新思維理念，使得我國的機械工程設計更好地為經濟發展添磚加瓦。

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。

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工程機械現代化設計要點

2.1在機械產品運動方案設計中的運用

機械產品的運動是實現其整體功能的基礎，因此其設計方案是重中之重。創新思維在設計中的運用就是需要設計人員根據客戶需求，對機械產品進行構思，充分了解各機械結構的動作方式，保證各部件的單獨動作和部件之間的聯動，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品的完美運行，需要設計人員將創新思維融入設計過程中，考慮多方面要素進行運動方案設計設計，實現資源最優化配置。例如，在設計自動包裝機械手爪產品時，合理設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實現了機械產品新能源設計需求

在機械工程的發展過程中，必然會導致能源的使用，甚至會造成環境的破壞與污染。傳統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，而創新思維在其中的應用可以引導設計者能開發出更多清潔型可再生資源來保證機械工程的順利進行。可以改變原有的傳統型的能源的設計思路，轉變新的思路為開發應用型能源，這無一不是創新思維在其中發揮的重要作用。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，并且對于環境無任何的污染影響。總而言之，創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，進而實現社會、人類以及環境的有機統一。

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

2.3 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。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。

2.4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。

結束語

綜上所述，創新思維對于機械工程的發展至關重要，只有不斷地開拓創新才可以在激烈的競爭中立于不敗之地。創新思維的應用不僅可以提高機械工程所研發產品的性能，而且可以更好地滿足市場經濟發展的不同需求。機械工程在發展的過程中，應該始終秉承著創新思維，與現代的高新技術相結合，推動機械化工程設計始終走在世界發展的前列。

參考文獻

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