工程机械的发展与其现代设计方法

于宏丽 刘艳秋

摘 要：随着我国新型城镇化建设扎实有序地推进以及交通运输行业的不断发展，工程机械的需求量在与日俱增。基于此，本文立足于国内工程机械的发展态势，对工程机械的发展进行分析，并结合实际对其现代设计方法进行探讨。

关键词：工程机械；发展；设计

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

从国内工程机械企业频频推出的新产品不难看出，中国工程机械正朝着节能化、智能化、定制化方向发展。无论从工程机械的数量、质量，还是形式，均对现代设计方法提出了挑战。

1 工程机械的发展

工程机械多应用在交通运输工程建设、能源领域工程建设、原材料领域工程建设、农林基础设施建设、水利工程建设、城市工程建设、环境保护工程建设、大型工业运输车辆、电梯、国防工程建设用军用工程装备等领域。工程机械按产品类型可分为挖掘机械、铲土运输机械、起重机械、工业车辆、压实机械、混凝土机械、掘进机械、路面机械与养护机械、桩工机械、市政与环卫机械、混凝土制品机械、高空作业机械、装修机械、钢筋与预应力机械、凿岩机械、气动工具、军用工程机械、电梯与扶梯、工程机械配套件、其他专用工程机械20大类，109组，450种基型，1090个系列，上万个型号的产品设备，我国已成为工程机械产品类别、产品品种最齐全的国家之一[1]。

近年来，工程机械产品发展很快，成绩显著。1999年-2012年，全行业有1400余家企业，其中主机厂710家，11个企业进入世界工程机械企业50强，30多家企业上市A股和H股；销售总额已超过美国、德国、日本，位居世界第一位，产值从1999年的389亿人民币发展到2010年的4367亿人民币，2012年总产值近5000亿人民币；进出口贸易总额由2001年的22.19亿美元上升到2010年的187.4亿美元，增长8.23倍，其中进口贸易总额由2001年的15.5亿美元上升至2010年的84亿美元，增长5.42倍，出口总额由2001年的6.8亿美元增加到2010年的103亿美元，增加了15倍。尽管，近几年总产值有所下降，但出口额仍然大幅度上升，2015年达到近200亿美元，我国工程机械出口至200多个国家和地区，成为世界上工程机械生产大国。

由于工程机械行业的快速发展，一方面使我国工程机械自给率由2010年的82.7%提升到2015年的92.6%，另一方面也使我国工程机械的现存保有量大幅度增加，加上过去的发展，使能也大幅增加。又限于工程机械行业的发展过多依赖于实物产品产量的增长，而产品的技术档次的提高，技术含量的增强，特别是技术含量对产品经济价值提高的贡献率不大，致高端产品的产能不足，中端产品仅能满足要求，低端产品的产能过剩。在我国制造业加速改革之际，自主研发和生产中高端的工程机械产品是我们未来发展的重点，而用现代设计方法设计出高寿命、易操作、强可靠性的产品，是实现自主研发的首要任务。

2 现代设计方法助力中、高端工程机械产品开发

对工程机械产品的技术要求决定了其设计要求，中高端的工程机械产品首先要具有最佳的生产能力，并且在有限的材料用量前提下具有良好的工作可靠性；同时，对于用户具而言，还需要有最好的操作性能和最佳的人体操作舒适性；最后还应具有美观的造型和色彩。可见，在设计时应用现代设计方法：机构的优化设计、结构件及零部件的刚度和强度设计、现代化操作系统自动化和状态监测系统设计、人机环境系统设计和产品的造型设计，是实现工程机械产品特性的有效手段。

（1）CAD在协同设计系统下实现定制化设计开发。工程机械产品结构复杂、技术含量高、设计周期长，为满足客户对生产产品的需求，定制化设计具有重要意义。由于其结构的复杂性，客户期望能够实时可视化的定制产品，清晰地表达出个性化需求。通常使用的CAD 等三维设计能够更加形象直观地展示产品设计，预先演示产品最终的动作以及形态，进而对产品的产出风险进行大幅度降低。但不同设计者间、设计者与装配者间使用不同的CAD平台，他们之间无法实现同步更新和消息传递。协同设计系统正可以支持CAD 环境下的实时协同，不仅可以实时获取设计者间更改的信息，避免由于信息传递滞后给整体设计带来的失败；而且还可以及时获取零部件设计的变更信息给装配过程，进而调整装配，防止之后的设计中出现错误[2]。以CAD可视化平台分析和拓展客户定制需求，以协同设计系统协调共享设计信息，实现工程机械的定制化设计开发。

（2）综合多种设计方法实现绿色化设计开发。工程机械的绿色化设计可以从低能、节能，以及能量回收等多角度来实现。工程机械的工作装置大多由连杆机构组成，开展机构的运动学和动力学分析、优化设计技术的研究，关注机构的最佳运动轨迹和运动速度，力图设计出具有最佳动力传递方式的工程机械的产品，以此实现工程机械的低能耗。通過有限元分析技术、模型分析技术、载荷谱技术、疲劳强度分析技术，以及材料动静态特性分析，开展结构件及零部件静、动态刚度和强度设计，实现工程机械的有限寿命设计，并结合在产品设计之初就考虑到产品寿后进行再制造技术的主动再制造设计，可以实现工程机械产品的低碳、环保的节能设计。工程机械负载功率波动大、能量损失严重，这个工况特点让能量回收成为可能；而新型能量回收液压系统设计技术日益完善，实现了发动机多余动能和负载势能、动能的回收再利用，为工程机械输出能量的回收再利用创造了技术条件[3]。

参考文献：

[1]中国工程机械工业协会.改革开放40周年工程机械行业发展成就与展望[J].建筑机械化，2018（10）：002.

[2]李涛.探析协同设计在工程机械设计中的应用[J].电子测试，2017（02）：83.

[3]王欣，刘晓永，王盼盼.工程机械液压系统节能技术综述与发展[J].中国工程机械学报，2017，15（03）：235.