起重机创新设计展望

1 概述        随着新世纪全球工业格局的新变化和我国工业技术水平的快速发展，创新设计越来越引起院校和企业的重视。起重机市场近年来也异常的活跃起来，这无疑给起重机的设计带来了更高层次的发展要求，起重机的创新设计已经成为各企业提升竞争能力的最主要手段和途径。        随着现代计算机控制技术飞速发展，使得起重机的设计在综合考虑控制系统安全可靠性、操作的舒适性、机构及结构广义优化等方面有了更高层次的要求，因此起重机的设计必须从原来的常规设计模式中跳出来，用新观点、新原理、新方法、新技术、新工艺来设计适应新形势的新产品，创新设计的课题已实实在在地摆在了起重机设计师们的面前。        起重机创新设计的理论、方法与工具是基于现代设计理论和方法，应用微电子、信息、管理等现代科学技术，以提高产品质量、用户满意的价格和造型、提高产品的功能、缩短产品开发周期为目的而进行的相应工作。起重机创新理论、方法与技术研究的宗旨是从起重机作为特种设备所要求的安全性和可靠性的工作目标出发，在特定技术性、经济性约束条件下，创造性地完成起重机的创新设计，使其在满足用户交货期和性能要求的前提下做到技术性与经济性最佳搭配。        根据现实和发展，设计手段越来越体现出精确化、自动化、虚拟化与快捷的特点。现代的起重机产品正朝着机电一体化、集成化、模块化、个性化方向发展。自动检测、自动数据处理（运算、判断、存储、记忆）、自动显示、自动控制、故障诊断和自动保护及维护等功能得到了大量的应用。因此起重机产品创新设计以降低设计成本，提高设计速度，缩短设计周期为目的，包括降低成本设计、可靠性设计、快速设计、并行设计、仿真与虚拟设计、智能设计、广义优化设计等现代设计技术。        同时高度综合也是现代起重机设计的显著趋势。具有先进技术和良好经济效益的起重机设计可以说是机、电设计师、制造工程师、管理营销人员以及工人、财会人员、专利律师等通力合作、集体智慧的结晶。     以下几点是起重机创新设计的发展方向：     （1） 具有零部件集成化、机构简洁化、结构全面优化的整机设计；     （2） 满足个性用户的特殊要求的个性化设计；     （3） 满足市场多样性和低成本要求的具有新技术特征的起重机新系列产品的模块化设计；     （4） 具有自分析、自调整、自纠错的智能化操作的全自动、半自动操作形式的高度机电一体化的起重机设计；     （5） 采用新的传感技术具有高精度称量和定位系统的起重机设计；   （6） 高速起重机的设计及相应防摇摆、准确对位技术的应用；   （7） 采用参数化专家系统的快速反应设计；     （8） 基于成本即时反应的经济性DFC（Design For Cost）设计；   （9） 极短交货期要求采用并行设计及并行工程技术的设计； （10） 基于产品全寿命周期的方便维护维修的设计及免维护设计；   （11） 大型单台复杂产品的虚拟设计及动态仿真的实现；     （12） 采用广义优化技术的设计；     （13） 起重机动力学（疲劳寿命的分析研究）研究成果的广泛应用。        真正意义上的创新设计是上述诸多设计方法和技术的有机组合及综合利用。设计工作从来都不是孤立存在的，由此产生了相关的技术和管理问题：从PDM、CAPP、ERP、PLM到CRM的全过程闭环反馈信息管理；从设计、工艺、制造、安装、调试到运行的全过程信息化管理；面向企业异地协同设计与制造的MVPN的研究；基于CPC和MVPN的快速设计与制造一体化系统；专利技术的大量涌现及知识产权保护问题。 2 现状及国内外发展趋势        二战以后的几十年来，各主要发达工业国家先后开始重视对设计技术的研究，起重机的设计技术水平也得到快速发展。英国从60年代开始，就以国家政策和财力来支持发展与推广创新设计；德国提出“设计就是科学”，使其设计学的发展已达到相当规模；美国成立了“设计委员会”；日本同样也非常重视设计技术的发展，将设计看作是技术、经济、美学和人机工程学的一体化整体，并极力推广和采用新技术。总之，经济技术发达国家越来越重视设计工作并大量引入创新设计，使得整个机电产品也包括起重机械产品的造型设计、安全可靠性、技术经济性等方面发生着越来越快的变化，设计水平也日益提高。        我国起重机设计的发展经历了一个曲折的过程。以前多是以模仿原苏联的设计为主，凭借设计者的经验，产品设计的局限性很大。从60年代起，开始了新产品、新部件的开发设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐渐走向实验研究和计算分析阶段。到了80年代，随着宝钢等一些超大型企业对国外起重机的引进及与国外进行联合设计、国内制造等形式的采用，开始在国内引入了一些国际上的先进技术与设计方法。同时将计算机应用技术引入设计领域，对起重机设计工作的发展起了很大的推动作用。        但是，我国起重机设计领域仍存在不少问题，主要是大多中小企业对设计研究分析不够，资金投入少，人员培训工作跟不上发展的需要，一直没形成开发新产品或更新老产品的设计和应变能力，对引进的先进技术和产品，没有从设计的角度进行消化，更没有能力进行再创新工作。没有形成合理的设计人员梯队，产品仍然是几十年不变样，目前仍以照抄照搬为生存方式，没有自己的知识产权，只是在应付低价拿来的合同。为数不多的几个大型企业则在创新设计中快速发展，使得国内起重机设计能力和水平逐步与国外的先进设计缩短了距离。这些企业已大量采用新的计算机新技术，二维CAD早已普及，三维设计已推广。电气设计采用ED等先进设计手段，引入定子调压和变频调速，PLC参与系统控制，采用了大量高新传感元器件，实现了定位准确，操控方便，其安全可靠性也逐步提高。通过专家系统的应用，极大地推进了创新设计的进程，并且利用系统论和信息论等现代计算机应用技术研究成果，使得起重机的创新设计开始向智能化方向发展。 2．1降低设计、采购和制造成本        国内外专家对成本估算及降低成本的方法进行了大量的研究，部分企业在方案设计、报价系统等方面的工作取得了一定程度的成效。德国学者提出了成本结构和分类，用相对成本概念来实现不同设计方案之间的对比评价，同时利用设计方法学和控制成本的设计思想研究成本特征与设计特征之间的转化，提出了面向用户的目标成本核算法；美国学者（在面向报价方面）对已有或生产过的产品作回归统计的结果，建立了成本模型；日本、瑞士、英国等学者也均对制造阶段的成本估算进行了较多的研究。但由于研究经费和人力不足，工作量和难度大等原因，进展仍很缓慢。国内的许多学者也对这一课题进行了数年的研究，提出了DFC和DTC的研究模式，完成了全方位分析比较的单台和系列起重机设计水平和设计目标成本的综合评价体系。但数据积累量较少，实用范围较小。从上述可看出，对产品降低成本的设计长期以来还一直停留在局部阶段的分析和计算，尚未把它纳入到贯穿设计全过程一体化的CAD系统中，且未引入产品的全寿命周期概念，导致分析结果大多是定性的，少数定量分析又是基于有限数据的统计分析基础上的，因此，建立支持设计全过程尤其是初始方案和总体结构设计阶段的成本信息模型已成为实现低成本设计的关键和迫切需要解决的难题。 2．2创新设计的快速反应        1992年东京国际会议上正式提出了并行工程技术，在此基础上发展成旨在缩短产品设计周期的快速设计技术（RDT），目前国际上在针对快速设计的并行设计技术、快速原型技术、系列化模块化技术和虚拟制造技术等发展均较为迅速，但起重机行业还没有得到大范围的推广应用。 2．3仿真与虚拟设计技术        国内外的研究均较为活跃，在机械产品设计的仿真建模中，目前应用最广泛的包括有限元方法（FEM）、有限差分法等。仿真技术得到了日益广泛的使用，从而能突破物理空间和时间的限制。数字化样机的仿真设计对大型复杂起重机产品的方案评审、机构动作原理审查、结构干涉检查等具有十分重要的现实意义。同时在计算机虚拟现实系统（VRS）环境中的虚拟设计（VD）技术方面的研究也开始受到人们的重视。 2．4智能设计技术        各主要工业发达国家正从传统的CAD技术不断向智能CAD（ICAD）和人机智能化设计系统方向发展，电气控制系统自分析、自调整、自纠错的智能化水平不断提高，使得起重机的设计和使用全过程的自动化和智能化得以实现。 2．5广义优化设计        国内的数值优化技术约在70年代初应用于工程设计，且目前离散和随机变量优化、结构优化、智能优化、优化建模和复杂系统优化方法学等领域的研究已取得具有相当水平的理论和应用成果，但对向前扩展到建立模型、处理模型，向后扩展到优化结果显示的全过程的研究还不够深入和全面，与主要工业发达国家有着一定差距。国内关于起重机的设计参数的敏感度分析以及广义优化的具体应用也取得了初步成效。 3  目标及主要研究内容和方向 3．1  目标        研究并掌握产品创新设计的理论与方法，并有重点地应用于一批产品设计中，提高产品综合设计能力和水平，使起重机产品在产品质量、价格、交货期及功能、型式（造型色彩）等方面满足用户不断发展的需求，在激烈的市场竞争中占据较多的份额。 3．2主要研究内容     （1） 创新设计技术        开展对起重机传动型式创新、结构构造创新和功能原理创新等方面理论及技术基础研究，为此着重研究新材料、新工艺、新的传动装置，从而通过对不同设计方案的优选、分解和组合来产生新的设计方案，不断推出传新创新设计<