工程机械的发展与其现代设计方法

郭波

【摘 要】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。

【关键词】工程机械；发展；现代设计；方法

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。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

2.1CAD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。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。

2.2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。通过有限元分析技术、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现代工程机械中机电一体化技术的有效运用

3.1在机床改造中应用

在现代工程机械行业中，数控机床是必不可少的设备，而在实际生产作业的过程中，必须要对工作台和机械刀具的运行轨迹严格控制，避免出现任何偏差，这样才能为生产质量提供保障。而以往这显然是很难做到的，但随着现代科技的发展，应用机电一体化技术对数控机床进行改造，可更好的保障机床运行轨迹的准确性。如滚珠丝杆就是机电一体化技术的应用产物，在数控机床之中安装滚珠丝杆，不仅可以减少摩擦损失，同时也可以提升传动效率，只需要对滚珠的方向进行调整，就可以消除空间死区，这样就极大的提升数控机床的可操作性，从而减少数控机床运行轨迹偏差。但需要注意的是，应用机电一体化技术对数控机床进行改造，应该尽量的保留原有的操作系统，减少一些不必要的调整，这样可以更好的帮助企业提升经济效益。

3.2在包装机械中应用

在现代工程机械作业生产过程中，包装机械是最核心的部分，以往由于工程包装机械的系统部件都是采用控制电路的方式进行连接，这使得包装机械的内部结构异常复杂，若是出现故障问题，后期维修检修是非常困难的，因此不利于操作，会对工程机械生产效率造成影响。而机电一体化技术在现代工程机械中的应用，可使用微机控制设备替代传统控制电路，这样就可以实现对包装机械内部系统的分区管理，而这样一来，包装机械内部复杂的结构顿时变得简单化起来，工程机械作业生产过程中，可通过智能化的方式进行操作，同时机电一体化技术对包装机械的应用改造，使设备的体积变得更好，这为企业节约空间资源的同时，也带动了企业经济效益提升。

3.3在产品开发中应用

科学技术的进步发展，促使人们的生活向智能化、信息化的方向改变，在这个过程中，传统的工程机械制造产品已经不能满足现代社会的需求，工程機械产品开发逐渐的向智能化、信息化的方向转变。而很显然机电一体化技术在现代工程机械中的应用，丰富了工程机械产品的种类和功能，可结合市场需求，生产出具有特定性能的产品，这为企业创造了更高的经济效益。此外机电一体化技术在工程机械产品开发中的应用，还极大的提高了产品的科技含量，在无形之中丰富了产品的使用价值，更好的服务了现代社会生活。

3.4在控制精度中应用

机电一体化技术在现代工程机械中的应用，还突出体现在精度控制方面，如在现代工程机械作业生产过程中，会将机电一体的软件安置在内部的电子控制系统之中，这样只需要通过微电脑去设置参数，就可以实现工程机械设备的自动称重，从而解决旧式人工操作所产生的误差，更好的保证称重的精准性和精密度，在提升机械产品质量的同时，有效的避免了安全事故的发生，彰显出了现代工程机械中机电一体化技术的运用价值。

参考文献：

[1]薛锦灏.工程机械智能化与信息化的发展探析[J].时代农机，2017，44（12）：47.

[2]夏强.工程机械的故障检测与维修[J].设备管理与维修，2017（19）：102-103.

[3]郭士茹.智能控制技术在工程机械控制中的应用[J].黑龙江科学，2017，8（24）：58-59.

[4]王文俊.关于机电自动化在工程机械制造中的应用[J].门窗，2017（12）：233.

（作者单位：通用半导体（中国）有限公司）