隨機動載荷是工程機械作業(yè)過程中最普遍、最主要的載荷型式，并直接影響著機械作業(yè)質(zhì)量、可靠性、平順性和機械操作的舒適性。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，機械零部件的破壞50%—90%為疲勞破壞引起的功能喪失及強度破壞。采集、編輯、試驗?zāi)M、強化工程機械實際工況中的隨機動載荷，并能在室內(nèi)試驗臺架上精確地再現(xiàn)，是進行現(xiàn)代工程機械有限壽命設(shè)計的有力手段和主要途徑。
我國的工程機械設(shè)計現(xiàn)在基本上仍處于靜強度設(shè)計階段，多數(shù)產(chǎn)品僅做靜強度計算，而沒有對主要關(guān)鍵零部件進行有限疲勞壽命設(shè)計，因此，設(shè)計出的產(chǎn)品有些部位裕量過大，有些部位卻又經(jīng)常發(fā)生疲勞破壞，而且整個工程機械的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性又大大低于發(fā)達國家的同類產(chǎn)品。
機械有限壽命設(shè)計技術(shù)在本世紀(jì)70年代，首先在英國火車的結(jié)構(gòu)設(shè)計上正式投入應(yīng)用。80年代在世界工業(yè)發(fā)達國家迅速得到推廣和應(yīng)用。這種有限壽命設(shè)計的特點是產(chǎn)品設(shè)計圖紙上出現(xiàn)了使用壽命指標(biāo)，用產(chǎn)品的可靠工作時間指標(biāo)替代了經(jīng)驗設(shè)計中的保險系數(shù)來保證設(shè)備的可靠性。德國Demag、Liebherr、美國caterpilar等國際性工程機械制造商都相繼大量購買了相應(yīng)的有限壽命設(shè)計分析軟件及其相關(guān)的數(shù)據(jù)采集、編輯、分析系統(tǒng)和電液伺服試驗?zāi)M系統(tǒng)并應(yīng)用于工程機械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計中去，已獲得了十分成功的工程機械應(yīng)用實例。
機械產(chǎn)品的有限壽命設(shè)計交叉融合了實驗力學(xué)、計算力學(xué)、斷裂力學(xué)、材料力學(xué)、材料學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、數(shù)字信號處理技術(shù)、無線遙測技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)、機電設(shè)計學(xué)、測試技術(shù)、傳感器技術(shù)等多學(xué)科的前沿應(yīng)用理論的綜合技術(shù)。通過對工程機械設(shè)備隨機受力狀態(tài)、振動沖擊等物理信號的實地測試，在計算機內(nèi)，壽命分析、頻譜分析、有限元分析、模態(tài)分析等專家系統(tǒng)軟件包融交叉在同一臺計算機的閉環(huán)工作流程中，進行壽命設(shè)計、故障診斷。由于計算機把測試數(shù)據(jù)(CAT)和產(chǎn)品設(shè)計(CAD)融為一體，形成各學(xué)科相輔相成的計算機輔助機械工程技術(shù)(CAE)。
雖然工程機械產(chǎn)品有限壽命設(shè)計及其相關(guān)試驗技術(shù)在國外同行業(yè)中的應(yīng)用已十分普遍和成熟，但在國內(nèi)工程機械行業(yè)才剛剛起步，缺少一定的工程應(yīng)用實例及經(jīng)驗，以及成熟的軟件交流及試驗技術(shù)及方法。
徐州工程機械研究所結(jié)構(gòu)振動疲勞試驗臺近年來在工程機械及主要結(jié)構(gòu)、零部件試驗方面作了許多工作，并掌握了一定的試驗技術(shù)與方法，但在與產(chǎn)品有限壽命設(shè)計的結(jié)合方面還有一定的距離，為了更好更快跟上發(fā)達國家的開發(fā)設(shè)計水平，并把這一高新技術(shù)應(yīng)用到工程機械中去，通過加強學(xué)習(xí)和引進國外類似機械行業(yè)技術(shù)，充分利用現(xiàn)有條件，加強試驗技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、研究中的應(yīng)用。這對提高我公司、我國工程機械產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)水平和市場競爭力具有十分重要的意義。
加強工程機械產(chǎn)品的有限壽命設(shè)計及試驗研究，采用以工程應(yīng)用實例為主線的強化集中學(xué)習(xí)方式，同有關(guān)專家一起就國內(nèi)外機械行業(yè)中的有限壽命設(shè)計及試驗研究的理論、實測、軟件開發(fā)及使用、試驗技術(shù)、數(shù)學(xué)模型的建立及相應(yīng)模擬試驗等項目內(nèi)容進行探討和學(xué)習(xí)。其主要內(nèi)容如下：
●工程機械有限壽命設(shè)計和試驗的理論及系統(tǒng)的軟、硬件構(gòu)成。
●工程機械有限壽命設(shè)計及試驗的軟件系統(tǒng)應(yīng)用及開發(fā)。
●工程機械有限壽命設(shè)計及試驗的硬件操作及使用。
●工程機械有限壽命設(shè)計工程問題模型化的建立。
●工程機械有限壽命設(shè)計及試驗的試驗技術(shù)及方法。
●工程機械典型產(chǎn)品的有限壽命設(shè)計及試驗的工程應(yīng)用實例。
建立健全工程機械有限壽命設(shè)計及試驗研究的體系，對提高工程機械主導(dǎo)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，充分形成企業(yè)自主開發(fā)產(chǎn)品的健全體系提供十分有力的技術(shù)支持。
通過對工程機械主導(dǎo)產(chǎn)品的有限壽命設(shè)計、試驗和優(yōu)化可以降低整機的重量，從而通過降低成本來提高市場的競爭力。以工程機械結(jié)構(gòu)件為例，如果每臺30噸重的產(chǎn)品自重降低5%，那么每臺就可節(jié)省1?5噸鋼材，而每月按生產(chǎn)50～100臺這種產(chǎn)品計算，每月可節(jié)省75～150t鋼材。可見經(jīng)濟效益十分可觀。
對工程機械主導(dǎo)產(chǎn)品進行有限壽命設(shè)計和試驗可以向設(shè)計人員提供豐富的設(shè)計和修改參數(shù)及依據(jù)，從而豐富我國疲勞試驗數(shù)據(jù)庫。還可以為我國工程機械行業(yè)及其他行業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)、研制提供世界一流的技術(shù)手段，其社會效益也十分深遠。
工程機械有限壽命設(shè)計及試驗研究體系的建立可以使我國工程機械行業(yè)的設(shè)計與開發(fā)進行一次革命。從過去單一的類比設(shè)計過渡到現(xiàn)代試驗和計算機輔助設(shè)計結(jié)合上來，真正使CAD/CAM/CAE一體化。
可以預(yù)計，工程機械主導(dǎo)產(chǎn)品的有限壽命設(shè)計及試驗研究具有十分可觀的直接或間接的經(jīng)濟效益，也具有廣泛和長遠的社會效益，因為這是更高層次上的技術(shù)和經(jīng)濟的競爭基礎(chǔ)。
原作者： 徐州工程機械研究所劉漢光 陸永能 董栓牢
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