裝卸機械現代設計方法的應用與發展

蔡曉南，孫敏娜，丁金燕

（杭州華新機電工程有限公司，浙江 杭州 310000）

在新中國剛剛成立之時，我國的貿易仍然延續著以往的裝卸方式，依靠人工勞動力裝卸貨物，效率極低，導致貿易的發展始終停滯不前。但是隨著國內經濟的發展，貿易也變得更加國際化，從向國外學習先進技術、引進先進裝設備到自主研發設計自己的裝卸機械，中國在裝卸機械設計這一領域也已經占有一席之位，從而帶動了裝卸機械現代設計方法的創新發展。

1 裝卸機械發展趨勢

1.1 自動化和智能化

隨著國家對科技創新的支持力度不斷加大，在各行各業中都能夠看到科技創新的身影，貿易也不例外。在裝卸機械的設計中融入現代化科技手段已經成為目前研究的熱點，這促使裝卸機械的設計制造將朝著自動化、智能化的方向發展[1]。

1.2 大型化和高效化

目前國內外進出口貿易的發展越來越繁榮，導致貿易壓力巨大，對貿易的運輸能力提出了更高的要求。因此出現了大量大型船舶，與以往相比承載量更多，這對裝卸機械的實際操作能力有了更高的要求，這促使裝卸機械的設計更加大型化，運輸更加高效化。如圖1 所示為大型裝卸機械。

圖1 大型貿易裝卸機械圖

1.3 專業化和多元化

貿易有著嚴格的管理體系，相關的貿易運輸都進行了嚴格的規劃，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行運輸，因此裝卸機械在設計制造時需要滿足相應的專業化要求。

2 裝卸機械現代設計方法應用

2.1 極限狀態設計方法

裝卸機械的設計中需要滿足的一項重要的要求是結構的穩定和承載性。裝卸機械的鋼結構作為承擔載荷的主要機械構造需要采用合適的方法進行設計。在初期，所采用的方法是許用應力設計法，目前廣泛應用的極限狀態設計方法也是從這個方法演化而來的[2]。許用應力設計法通過計算鋼材屈服強度與經驗安全系數比值得到許用應力，但是這種方法存在一個較為嚴重的問題，經驗安全系數的干擾條件較多，要想得到真實的經驗安全系數難度較大，在獲取過程中一旦受到影響因素的干擾，將會導致計算結果出現偏差，因此采用這種方法設計機械存在一定的安全隱患。

隨著大數據的出現，許用應力設計法得到了優化，在此基礎上出現了極限狀態設計方法。這種方法借助大數據處理的優勢計算得到風險概率，進而對鋼結構的安全程度進行估計，彌補了許用應力設計法的缺點。1988 年，我國正式將極限狀態設計法納入了《鋼結構規范》中，因此，在后來的發展中極限狀態設計法成為了港口裝卸機械設計的主要方法之一。

2.2 優化設計方法

優化設計方法主要是借助電子計算機的計算能力和數學規劃方法建立的擇優設計方法，可以對復雜的方案進行有效的擇取。在裝卸機械的設計過程中，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的形式進行定量，因此可以采用優化設計方法進行計算，得到最優的設計目標。優化設計方法主要被應用于裝卸機械的主要結構參數匹配設計方面，但目前只是針對單一目標進行優化，但是在多個目標的優化設計上，仍處于研究階段。

2.3 可靠性設計方法

裝卸機械的可靠性直接決定著貿易的運輸效率和裝卸的安全性。但是目前的裝卸機械結構復雜，功能繁多，在使用的過程中受到多方面因素的影響，大大增加了機械故障發生的概率，一旦機械罷工，將會給貿易帶來巨大的損失。因此，在裝卸機械的設計過程中需要重點關注其可靠性設計。

裝卸機械的可靠性設計可以追溯到二十世紀七十年代，當時很多國家在設計裝卸機械時意識到可靠性分析的重要性，并且制定了相關的內控標準，將可靠性分析列為了設計重點。我國在可靠性設計方面相對比較落后，但經過長期的發展，現階段的研究水平可以做到對裝卸機械的可靠性試驗和失效分析。

2.4 計算機輔助設計（CAD）方法

目前市場對港口裝卸機械產品的要求越來越高，產品的種類也變得更加豐富，這給設計制造領域帶來了巨大的壓力。傳統的設計制造主要采用人工進行設計，適合較為簡單且規模較小的產品設計，已經無法適應現階段的發展要求，因此，CAD 技術的出現扭轉了這一局面。目前，CAD 技術已經應用到各個工程制造領域，充分利用計算機強大的計算功能和數據處理能力等優勢，開發與相關理論相適應的制圖軟件，進一步提高了產品設計的效率，使整個設計過程變得更加智能直觀[3]。如圖2 為CAD機械制圖界面。

圖2 CAD 機械制圖界面

目前CAD 技術在國內外的機械的設計中都得到了廣泛的應用，甚至完全代替了傳統的圖版制圖方式。同時利用計算機開發相關設計系統，提高產品設計效率，縮短設計周期，推動裝卸機械的智能化發展。

2.5 有限元分析設計方法

有限元法主要是從數學分析發展而來的，最開始的應用于數學物理等問題的求解上。由于計算機的發展，這種方法的應用逐漸擴大到工程設計的領域。有限元法的局限性較小，不僅能夠對簡單結構進行高效分析，對于一些結構復雜且多自由度的系統同樣具備可靠的分析效果，彌補了傳統設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用優勢，能夠為裝卸機械提供更加直觀豐富的設計結果，尤其是在大型裝卸機械的應用中，表現出優越的計算能力。

2.6 三次設計方法

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

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

3 結束語

為了促進貿易的發展，提高貿易的運輸效率，需要進一步提高裝卸機械的現代化設計水平。目前，很多企業已經將高新技術融入到裝卸機械現代化設計中，同時加大設計方法的研究力度，使當前裝卸機械向著自動化、智能化、大型化、高效化、專業化和多元化的方向蓬勃發展。