发布时间：2023-06-21 09:07:31
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的机械优化设计样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
【关键词】机械设计；CATID技术
机械设计是设计人员根据用户的使用要求对专用机械的工作原理、结构、运动方式、力学和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。优化设计需要综合地考虑许多要求：最好的工作性能、低廉的制造成本、最小的外形尺寸和重量、使用中最稳定可靠、最少的能耗和最低的环境污染等。往往这些要求互相间是矛盾的，这就需要设计人员根据具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械具有最优异的综合技术经济效果。
作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。机械设计经历过手工绘图——计算机二维绘图（AutoCAD软件等）——计算机三维绘图（CATIA软件等）等几个阶段。
机械设计本身是繁锁的工作过程，手工绘图需要具一相当的工作经验及空间思维能力，除了必须熟悉和遵守制图标准、正确使用绘图工具、掌握几何作图的方法外，还要有比较合理的绘图工作顺序。随着计算机技术的发展，计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用。运用计算机辅助设计不仅可以减少设计劳动量、提高设计速度和设计质量。且采用CATIA绘图则更加利于设计的更改存档为了保证绘图质量，提高绘图速度。
CATIA能够重用产品设计知识，缩短开发周期，解决机械设计方案加快企业对市场需求的反应。在设计时，设计人员不必考虑如何参数化设计目标，充分利用CATIA提供的变量驱动及后参数化能力实现变量和参数化混合建模。也可以利用CATIA实现几何和智能工程混合建模以便将多年的经验积累到CATIA的知识库中，用于指导新产品新型号产品的开发，加速新型号推向市场的时间。CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性。在设计过程中交互式捕捉设计意图，定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识，提高设计的自动化程度，降低设计错误的风险。CATIA提供了智能化的树结构，设计人员可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。
CATIA覆盖了产品开发的整个过程，提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立； CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，提供严密的无纸工作环境，提高产品质量及降低费用。
CATIA带有自有标准件库，且可以方便地链接第三方CATIA零部件数据资源库：囊括数百家国内外厂商的零部件产品模型。模型数据可被直接调用，更好的帮助设计人员完成设计工作，提升效率。
采用CATIA设计者可以非常方便地调用型材、通用件库。并可以充分利用EXECEL设计表实现参数化驱动设计。
CATIA 可以从数字化定义的产品，生成具有真实效果的渲染照片。在真实产品生成之前，即可促进产品的销售。
通过实际应用CATIA系统软件，笔者体会到CATIA系统软件在机械设计过程中具有明显的优势：
一、零件设计更加方便
使用CATIA系统，可以装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来，使人一目了然。
二、装配零件更加直观
在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确即予以显示，另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的时候，可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，及时对设计进行更改，避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
三、缩短了机械设计周期
采用CATIA技术，机械设计时间缩短了近1/3，大幅度地提高了设计和生产效率。在用CATIA系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3～5倍。同时，CATIA系统具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品。
我司主要生产产品为环卫设备。是集机械系统、液压系统、电气系统、供排水系统，送风系统等为一体的机器设备。其错综复杂的液压管路及电气线路的完整表达，需要强大的软件来完成。CATIA正好是我司引进的主要设计软件。北京五路居垃圾转运站是国内首个采用强力预压块装式的垃圾压缩设备，国内外可参考的资料极少。根据转运站设备工艺要求，压缩垃圾的压力要达到180吨，垃圾重量达24吨，垃圾打包长度达10米。由于压力大、压缩行程长，设备结构强度、机械性通报要求极高，且需要有良好的生产工艺性。经过反复设计论证和科学计算，最后确定了ACP-18型压缩机的总体方案，主要由油缸支架部件、压缩腔体、升降闸门部件、滑动支架部件、推头部件、油缸座及称重传感支座等部分组成。配合两组油缸推动推头，每组油缸的行程为7.9米，使推头的总行程达到了15.8米。由于ACP-18型压缩机压力大，机体庞大（设备总长达25.5米，自重达72吨），对结构强度要求极高，考虑到要求强度及生产工艺性，压缩腔体采用厚度达16mm的低合金钢板（16Mn），且用“C”型槽扶强。在油缸支架及滑动支架则采用矩型钢管焊接而成的框架结构，既保证了结构具有足够的强度，又减轻了自重。为保证压缩机机体具有良好的刚性，机体底部布置了两条460x190mm的大型工字钢。经过应用CATID系统进行结构设计计算及设备运行中的验证。并在此基础上完成了设备的设计工作，于99年初在公司内生产制作，年底在北京工地顺利安装并成功投产。经过实际运行，证明ACP-18型压缩机设计合理，结构可靠，各项性能均完全满足垃圾运转站的工艺要求，胜利通过了验收。该工程被北京市列为“国庆50周年献礼工程”。
我司也曾使用AutoCAD、SolidWorks、 Pro/E进行三维设计，但通过一段时间的试用比较，发现CATIA设计软件更能适应我司的产品设计。由于环卫设备环境恶劣，设备需长期稳定工作，维修少维护简单的特殊要求；机场设备要求稳定，且安全可靠。CATIA的推广应用在我司设计的产品优化设计方面突显优势,并带来可观的收益。
参考文献
1 传统优化方法的应用与发展分析
1.1 传统机械优化设计方法的应用
传统机械优化设计方法大多应用于机械结构和零件功能的优化设计，针对机械结构的性能和形态进行优化。在机械结构上，内点罚函数优化法，能够对刚度和压弯组合强度结构进行良好的优化，既能够满足尺寸要求又能良好的控制结构自重。在形态方面，典型的是轴对称锻造部件的毛坯形状的优化。在性能方面，采用坐标转换法和黄金分割法对部分两岸结构进行优化设计，使得机械结构更加准确保持运动平衡性，提高了传力性能。这样看来，传统机械优化设计方法依然能够取得良好的效果，所以在机械设计发展中不能忽略传统优化方法的作用。
1.2 传统优化设计方法的一些改进
在新的设计方法出现后，传统机械优化设计进行了一些改进：设计中普遍采用最优设计方案和设计策略，帮助达到最优组合性能;建立能够反映设计问题的数学模型，提高机械设计的准确性;利用计算机选择最优方案，通过计算机程序解决更加复杂的计算;计算机辅助设计，降低人工设计的误差。
2 现代机械优化设计方法的应用和发展
随着机械设计要求不断提高，设计工作需要考虑的问题也越来越多，整体需要解决的问题规模和复杂度都有所增强，传统优化方法的问题暴露出来，局部优化和最优解不再适用于大规模问题的设计，这使得机械设计工作者广泛吸取其他学科的理论知识，产生全新的机械设计思路，通过算法来解决一些复杂的设计问题。
2.1 反馈神经网络在机械优化设计中的使用
反馈神经网络模型的基本内容是一些双向相连的神经元系统，每个神经元之间的连接都具有特别的权值，这个神经网络对于输出和反馈能够统一应用，这样将整个网络的能量函数和机械设计的目标函数映射起来，神经网络的进化过程则与机械优化设计的最优过程对应起来，在实际应用中，寻找神经网络模型与问题的解的过程十分关键。
2.2 多层向前神经网络在机械优化设计中的使用
多层向前神经网络也是目前神经网络模型中应用较广的一种，通过输入层、隐层和输出层，将模型输入信息进行单项的传播输出，整个模型中不论是层内还是层间，均不存在反馈链接。多层向前神经网络具有很高的运算速度，非线性的映射能力也更突出，在机械优化设计中，能够利用这种模型的特点，对机械结构的多目标优化进行映射。
除了神经网络模型的应用外，很多专业的数学软件也应用于机械设计工作中，比如MATLAB，作为功能强大的工程数据计算软件，能够很好的将计算问题与实际问题结合起来，其中配置了大量的工程函数，在解决大部分工程问题时能够节约大量的时间，而且计算结构也非常精确，所以在自动化控制和机械设计领域都有很好的应用。
3 遗传算法的应用与发展
遗传算法简称GA，是一种全新的概率优化算法。遗传算法作为一种非确定性的拟合自然算法，模仿了自然界生物进化的特点和规律，对于随机对象进行自然选择，按照自然界的适者生存法则来循环处理数据，最终产生的随机群体会收敛于整体的最优解。遗传算法有很强的自适应性，借助自然界遗产的规律，能够对全局都进行优化处理，同时遗传算法是潜在的并行计算算法，所以拥有很高的计算效率。遗传算法以其全局优化的优越性，主要应用于机器学习和控制领域，最近几年也得到发展被应用于机械优化设计中。
3.1 遗传算法与机械结构优化设计
简单的遗传算法线性适应度非常理想，通过非线性适度与自适应的变异概率来优化一般的遗传算法，以此来解决机械结构的优化问题，多峰值函数极值等都具有实际的参考意义。
3.2 遗传性算法与可靠性分析
框架结构系统结合遗传算法，能够对系统结构的可靠性进行优化分析。
3.3 遗传算法与故障诊断
遗传算法网络模型中，各个神经元之间的权值可以作为染色体向量，模拟基因多点交叉变异能够对随机对象进行优化选择，这种遗传算法能够应用于变压器故障的诊断。
4 机械优化设计软件的应用与发展
4.1 专用软件的应用与发展
目前国内机械优化设计专用软件开发和使用的都比较少，机械优化设计软件的开发还需要积累足够的经验，根据工作经验转换成计算机功能组成专用软件。计算机辅助设计软件的使用，能够帮助解决很多机械设计中的工程问题，结合人工神经网络和遗传算法，开发计算与图形化功能，专业软件的发展速度也是越来越快。
4.2 网络在线机械优化设计软件
优化算法的研究已经有所成绩，利用网络平台逐渐开发一些工业化在线优化软件，便于工业设计使用。对于在线机械优化设计软件来说，亟待解决的问题就是模型问题，对于非常复杂的系统来说，结构、流程、物料和系统参数等，都非常复杂，如果计算对象比较模糊，运算效率会受到严重的影响，这就给在线优化软件带来了巨大的困难。为了解决这种情况，通过合适的算法解决辨别模型，结合神经网络和学习特点进行数据的识别，让在线优化软件也能够良好的应用于各种模型，比如国内比较成熟的NEUMAX软件包，基于神经遗传算法的在线优化软件包，都能够良好的实现各种模型的遗传算法，这些软件已经成功应用于甲醇合成机械设计的优化工作中。
【关键词】 机械 优化设计 理论 方法
中图分类号：S611 文献标识码： A
引言：近年来，随着我国经济的发展，我国机械工程规模开始加大，机械工程速度也开始变得迅猛，人对于机械行业来说，机械设计是一项复杂系统的工作，机械设计的治疗关系到工程质量的好坏，因此，对于机械设计人员而言，做出最优的设计，符合实际的实际是设计人员应尽的责任。
一、机械优化设计理论概述
1、机械优化设计的概念
机械优化设计是指最优化技术在机械设计领域的移植和应用，是以最低成本获得最高效益。其根据机械设计理论、方法与标准规范等建立能够正确反映实际工程设计的数学模型，利用数学手段和计算技术，在众多的方法中快速找出最优方案。机械优化设计通过把机械问题转化为数学问题，加以计算机辅助设计，优选设计参数，在满足众多设计目的和约束条件的情况下，获得最令人满意、经济效益最高的方案。目前，机械优化设计已成为解决机械设计问题的有效方法。
2、 机械优化设计研究的内容
机械优化设计主要研究的是其建模和求解两部分内容。 如何选择设计变量、列出约束条件、确定目标函数。其中，设计变量是指在设计过程中经过逐步调整，最后达到最优值的独立参数。设计变量的数目确定优化设计的维数，维数越大，优化设计工作越复杂，但效益越高，所以选取适当的设计变量显得尤为重要。约束条件即是对约束变量的限制条件，起着降低设计变量自由度的作用。目标函数即是指各个设计变量的函数表达式，工程中的优化过程即是指找出目标函数的最小值（最大值）的过程。一般而言，目标函数的确定相对容易，但约束条件的选取显得比较困难。
二、机械优化设计理论主要方法
1准则优化法
准则优法主要是通过力学以及物理或者是其他原则构造评优准则所应用的，然后在进行寻优。这个项方式的主要优点就是有着直观的概念以及简单的计算方式，同时能够对于优化效率约束能很好地降低，在工程方面广泛的使用；有弊就有利，这项方式只是考虑了很少的方面或者是一个点，使得优化效率大大的降低，甚至是没有约束。
2线性规划法
线性规划法主要是通过数学极值原理所对于目标函数为设计变量线性优化所设计的，可以说是机械优化设计中最为常用的一个方式。有单纯形法和序列线性规划法。
3神经网络法
神经网络可以说是一个大型的自适应非线性动力能够，所具备的有点为联想、概括、类比，同时要是局部出现问题对于整个系统却没有很大的影响。最早发现神经网络优化能力人员是美国物理学家Hopfield ，根据动力系统以及统计学原理，将系统稳定性以及最优化对策，同时系统能量函数和目标函数优化相互之间对应，优化设计变量以及神经网络参数相对应，在整个系统逐渐演变的过程中，在1986Tank首次提出了求解线性优化问题的造型化神经网络。神经网络稳定平衡点是这项方式的主要点，对于整个网络能量函数极小点所进行的优化设计，通过较为强大的计算方式以及近似分析、非线性建模能量将计算效率进行优化，所进行这个过程的关键点就是神经网络构造，一般都是使用在求解组合优化、约束优化以及复杂优化。
4、多目标优化法
机械设计所追求的最终目的就是优化功能、强度以及经济性，但是在实际工作中机械优化设计都是优化目标设计方式。在实施目标优化的过程中还是存在着很多的困难，对于研究人员有着一定的挑战性，但是这些理论方式还是不够完善的，将其划分为两种：一种是将多目标优化转化为一个或者是一系列的目标优化方式，将所得优化结果当做目标优化的解，第二种是直接求非劣解，在这中间要选择最好的作为最优解。
三、现代机械优化设计理论与方法
1、利用现代计算机软硬件技术的设计方法。
在产品开发初期借助于设计方法学，利用多媒体工具进行系统的开发。根据这一指导思想，利用数学系统理论，同时考虑系统工程理论产品设计技术和系统开发方法学，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件。根据这一设计方法，往往把产品的整个开发过程概括为产品规划、开发和生产规划三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术D虚拟现实技术。（1）、产品规划D构思产品。其任务是确定产品的外部特征，如色彩、形状、表面质量、人机工程等，并将最初的设想用CAD立体模型表现出来，建立能够体现整个产品外形的简装模型。（2）、开发D设计产品。该阶段主要根据系统合成原理，在立体模型上配置和集成解元素，把实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置进行分析。产品配置分析是综合产品规划和开发结果的重要手段。（3）、生产规划D加工和装配产品。在这一阶段中运用CAD技术，用计算机图案显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造型和装配间的关系，由此发现难点问题，并找出解决问题的方法。借助于现代计算机软硬件技术，通过三维图形软件、多媒体和超媒体技术及虚拟现实技术进行设计。
2、积极开发发展绿色设计、制造。
（1）、绿色设计制造时现代设计制造的可持续发展模式。人们已经认识到环境与发展是密不可分的。要从根本上解决环境问题，必须转变发展模式和消费模式，即为资源型发展模式逐步转变为技术型发展模式，依靠技术进步，节约资源和能源，提高效益，减少废物排放，实施清洁生产和文明消费，建立资源和环境相联系的新的发展模式。这是人类探索了几个世纪终于领悟到的发展观D可持续发展。（2）、发展绿色设计制造将为企业发展带来新的机遇。开发绿色设计制造是人类可持续发展战略的重要组成部分，是每个企业家必须考虑的企业行为，但是不少企业认为绿色制造投入大见效慢经济效益不如直接抓成本、抓质量、抓品种等见效快，因而无视对环境的污染，甚至宁愿被罚款，也不愿意采取措施。实际上，环境全面改善，一方面可改善员工的健康状况和提高工作安全性，减少不必要的开支；另一方面在绿色制造环境下工作的员工心情舒畅，有助于提高员工的主观能动性和工作效率，以创造出最大的利润，使企业具有更好的社会形象，为企业增加无形资产。（3）、发展绿色制造将推行新一轮技术创新。在全球性竞争激烈的背景下，利用高新技术和现代化管理来提高生产率，节约自然资源投入，以及节约劳动和各种形式的资本，是促进经济增长与发展的主要源泉。
四、机械优化设计的前景
机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术和机械工程相结合的一门学科，包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状优化设计等。近年来，随着数学规划理论与计算机技术的飞速发展及广泛应用，许多新兴优化算法，如遗传算法、神经网络法等相继被提出，机械优化设计广泛地被应用到建筑结构、化工、航天航空等诸多领域并取得飞速发展。机械优化设计具有广阔的发展前景。
机械优化设计给机械工程界带来的巨大经济效益是显而易见的，但其工程效应比起预期远远小得多。归结其原因，主要有以下两点：（1）建模难度大。（2）最优方法的选取难度大。 虽然有以上不足之处，但是机械优化设计的发现前景仍是非常广大的，且各领域也在积极做出相关的研究探索，并已取得一定的成就。
结语
纵观几十年来机械优化设计的发展历程，其发展是非常迅速且令人可喜的，虽然仍存在建模困难、优化方法选取等等方面的一些挑战，但是其前景仍旧是非常广阔的。研究机械优化设计的理论与方法无论是学术领域还是实际经济效益方面都具有研究意义。
参考文献：
【参考文献】
[1]白新理.结构优化设计[M ].河南：黄河水利出版社，200 8 .
[2]王玉新.复杂机械系统快速创新设计[M ].北京：科学出版社 ，2006.
[3]秦东晨，陈江义，胡滨生，等.机械结构优化设计的综述与展望[J].中国科技信息，2005（9 ） ：90 D91.
【关键词】：造纸机刮刀；运行原理与功能；分类与优化设计；应用与维护；注意事项
造纸机的刮刀装置是现代造纸生产中的一个非常重要的环节，它对于提高整个造纸生产线路的运行效率，保持辊面清洁，提高纸幅剥离速度与质量、减少断头与孔洞等纸病有着重要的作用。
1.造纸机刮刀装置的运行原理与功能
造纸机的刮刀装置包括三个部分，即刮刀体、加卸压装置和摆动装置。整个刮刀装置为全不锈钢制造，刮刀体为可转动的横梁，其结构应有足够的刚性，以保证刮刀片的直线度要求。刮刀的核心部位是加卸压装置，它主要包括两个气囊，即加压气囊和卸压囊。当加压气囊通压力气时，刮刀片与辊面接触；当向卸压囊输气，同时断开加压气囊的供气，刮刀片便打开一定角度，离开辊面。摆动装置实现刮刀的匀速轴向往复摆动，从而实现纸片的剥离。[1]
一个规格合理的造纸机刮刀装置应该具有以下功能：
1.1.保持辊面清洁安全，防止纸张粘黏
在制浆、调制过程中，纸页难免会粘黏一些水分、细小纤维、填料和化学物质等脏污，在与辊面的接触中难免会将这些脏污粘黏到辊面上，造成辊面难以运行，损害造纸装置。刮刀装置通过匀速往复的运行，不断地清理辊面上的污物，保持辊面的清洁。
1.2.提高纸幅剥离速率，减少断纸与孔洞纸病
刚刚烘干的纸张比较生脆，还易粘结，这就会导致断纸和纸张孔洞。刮刀装置的匀速往复运动，纸面受力均匀；刮刀的直线构造和刚性都可以提高剥离的速率，减少造纸过程中的断纸现象和孔洞纸病。
2.装置的分类与优化设计
为了保证辊面的清洁和纸片剥离的速率、合格率，必须对整体刮刀装置进行严格的规范设计，保证整体造纸机的正常运转。整体的刮刀装置还可以细分，包括刮刀体、刮刀夹具、刮刀片、加卸压装置和摆动装置。
刮刀装置可以分为以下几个类别：根据刀片的多少，分为双气囊单刮刀和双气囊双刮刀；加卸压装置可以通过活塞式汽油缸、加压气囊或专门的机械结构来进行加卸压；摆动装置则分为固定式和摆动式两种，各有自己的优劣之处。在造纸过程的多个环节内都需要用到刮刀装置，各个环节刮刀装置的技术参数与材质要求都有着各自的规格，现提供一些数据资料，其中因辊面材料的不同，安装角度和刮刀线压力也就会不同。3.1.刮刀装置的各部分要求
首先，刮刀片的材质与辊筒面的材质必须相匹配，两者之间的摩擦系数要保持在0.15～0.30之间，刮刀的实际线压通常为90～220N/m，它的摩擦系数的大小要根据刮刀的实际材质来定；刀片的直线度要与辊筒的直线度相对吻合，一般在0.1～0.3mm之间，这是为了保证刀刃与辊筒横面良好的紧密接触。[2]
其次，加卸压装置的要求也十分的严格，它主要表现在要对辊筒表面提供合理的线压力，加压和卸压都要快速灵活，并且保持稳定，借助活塞式汽油缸、加压气囊或专门的机械结构都可以实现。
3.2.各个装置的维护
由于在整个造纸过程中，难免会产生脏物积聚现象，有时就会造成机器设备故障。因此，加强造纸机刮刀装置的维护工作是非常必要的。
刀片的选用要与辊面材料、辊筒运行速度相匹配。刀片在安装角度和刮刀线压力的设置上也要根据辊筒的位置和辊筒表面的材料来决定。刮刀体的设计要确定好刮刀体的重心位置，其应该位于转动支点和刮刀与辊筒表面接触线的中间，必须计算好刮刀线压力能否满足使用需要，通过数据计算适当地调整重心位置。
4.注意事项
刮刀装置的使用需要注意以下事项：
4.1.刮刀已使用很长时间之后，与辊筒表面已经密切磨合，这时不要随意的增加刮刀线压力，防止刀刃卷刃，破坏工作线面。
4.2.造纸机在正常运营过程中，不要经常性变动线压力，尤其是不要突然间增大线压力。
4.3.刮刀装置的设计要根据严格的尺寸和技术要求来完成，从而进行精密的组装与前期调试，安装角度与线压力的设定要严格的依据辊面材料和辊筒位置。
4.4.要定期的对刮刀片进行检修，已经出现磨损状况的要及时替换，另外还要找出磨损原因，防止二次磨损。
5.结束语：
造纸机刮刀装置的设计与应用要细致仔细，各种装置构造要严格符合规范要求，确保整体装置的协调运行。
【参考文献】：
[1] 冯郁成. 刮刀装置在造纸机上的应用[J]. 造纸科学与技术. 2012，25（03）：63-64
[2] 姜熹，沈文浩. 刮刀在纸机中的应用简介[J]. 造纸科学与技术. 2011，34（05）：16-17
1制动控制器机械锁闭结构操作现状
DK-2制动系统为HXD1型机车的组成部分，此外，此型机车中还包含克诺尔CCBⅡ制动系统。与克诺尔CCBⅡ制动系统，DK-2制动系统换端有着独特的操作特点，换端钥匙为DK-2制动系统制动控制器的操作位置，对于非操作节制动控制器，以机械的方式将其固定在相应的位置，目的是避免司机出现操作错误。DK-2制动系统制动控制器的机械锁闭结构复杂性比较高，由此导致故障的发生率增加，致使乘务员的正常操作受到影响，严重时，甚至导致机车出现故障，影响机车运行的安全性。
目前，对于HXD1型机车的DK-2制动系统，有着明确的操作规范要求。将非操作节机车自动控制器调节至“重联”位，而单独控制器调节至“运转”位，同时，这两个控制器的钥匙手柄都调节至“关闭”位，才可将钥匙拔出[1]。在机械锁闭结构的作用下，制动控制器处于锁定的状态，当需要再次操作时，利用钥匙调节至“打开”位，实施相应的操作。由此一来，在进行换端操作时，需要的时间比较长，加之机械锁闭结构的复杂性，提升了机械故障的发生率，影响制动控制器的正常操作。
司机操作钥匙手柄由“打开”位拉至“关闭”位时，过渡临界位是钥匙手柄必须要经过的位置，这时，如果司机想将钥匙手柄向外拔出，由于手柄罩壁厚2.3mm，与之匹配的豁口9mm，拔出7mm时，钥匙手柄可顺利的拔出，但是在实际操作的过程中，受到手柄罩尾部缺口的影响，主轴在撩拨之下移位到“打开”位置，再次插入钥匙将无法实现。此外，钥匙手柄在使用的过程中会出现磨损，当变成圆的状态时，机械锁闭结构的实用性大大降低，甚至无法使用。
2制动控制器机械锁闭结构优化设计
依据机械锁闭单元的设计原理，只有处于“关闭”位置时，钥匙才能够顺利的拔出，由此，非“关闭”位取出基本无法实现，但是在实际的运行考核中，存在钥匙手柄取出故障，故障产生的主要原因在手柄罩与钥匙手柄之间，对此，在进行优化设计时，只需优化手柄罩的设计即可。同时，机械锁闭单元需要具备比较高的机械强度及耐磨性，因此，在进行优化设计时，改进了手柄罩的材料，具体措施如下。
2.1优化设计手柄罩的尺寸
钥匙手柄与手柄罩之间的上下偏差、左右偏差及解除距离过短是产生钥匙手柄取出故障的主要原因，因此，对手柄罩的尺寸进行优化设计，使之与钥匙手柄之间的匹配度提升[2]。在上下偏差方面，原有的深度尺寸为19.5mm，优化设计之后，改之为15.5mm，由此一来，钥匙手柄与手柄罩之间的上下距离显著的减小；在左右偏差方面，原有的横线开缺尺寸为11mm，优化设计之后，改之为9mm，而钥匙手柄的尺寸为8mm，二者之间的左右间隙由原来的3mm变为现在的1mm，减少了故障发生的概率。
2.2优化设计手柄罩豁口厚度
在临界状态下，即使处于非“关闭”状态，依然可以拉拽出钥匙手柄，之所以会产生这种现象，主要原因是手柄罩的壁厚过薄，钥匙手柄上弹性钢珠外围脱离手柄罩约束时，脱离时间过早，由此，在晃动拉拽的状态下，钥匙手柄可以被拔出。对此，在进行优化设计时，改变了手柄罩的豁口厚度，原有的手柄罩豁口厚度为2.3mm，改进之后变为10.3mm，增加的厚度与钥匙手柄豁口的长度相等，在进行拉拽钥匙手柄时，尾部的缺口刚好离开换向主轴，避免了钥匙手柄取出故障的发生[3]。
2.3改进手柄罩的材料
改进之前，手柄罩的材料为1Cr13，此种材料的拉伸强度为220MPa，屈服强度为206MPa，机械强度与耐磨性都比较差，使用一段时间之后，会产生比较严重的磨损，进而产生故障。改进之后，手柄罩的材料采用45圆钢，此种材料的拉伸强度为600MPa，屈服强度为355MPa，具有良好的机械强度及耐磨性，从而有效地减少了故障发生的概率。
关键词：工程机械；一体化；监测系统；优化
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）29-0078-02
加强工程机械一体化监测系统的优化与设计，对于提高工程机械的使用性能、操作效率，提高其自身运行的安全性与可靠性具有十分重要的意义。随着机电一体化技术的发展，对于工程机械一体化监测系统的技术进步及优化提供了新的物质基础和理论能量。本文将在探讨工程机械一体化的基础上，对于如何认识目前工程机械一体化存在的各种问题，提高工程机械的使用效率和操作性能进行深入的探讨和分析。
1 工程机械一体化及监测系统优化
1.1 工程机械一体化的定义
工程机械一体化是为了确保工程机械操作的舒适性、安全性以及可靠性而进行的一系列的系统设计和安排。工程机械一体化主要是为了工程机械自身每个设备和构件的功能得到良好的发挥，在确保使用工程机械安全可靠的基础上，通过一系列的系统设计和优化，从整体上最大程度的激发工程机械可以发挥的潜力和能量，从而使工程机械的使用效率和操作质量得到最大程度的提升。工程机械一体化需要强有力的监测系统来作为保障，实施工程机械一体化监测是为了促进工程机械一体化的有效展开，确保工程机械一体化的进度和质量，有效控制工程机械一体化过程中出现的各种问题。
1.2 实施工程机械一体化监测系统的意义
将工程机械一体化监测系统技术引入到工程机械当中，可以极大的改善工程机械的性能和质量，使工程机械的经济性、可靠性以及安全性，操作性大大提高。例如工程机械的液压技术与电子控制技术相结合，就可以大大提高工程机械的操作效率和质量。目前微机处理器在工程机械应用到相当普及，并且取得了不错的效果。随着机电一体化技术的发展，工程机械与机电一体化技术的融合达到了前所未有的高度，电子监控系统技术已经深入到工程机械的诸多领域，并且还有拓展和扩大的趋势。一体化监测将确保工程机械使用的可靠性得到极大提升，同时也可以保证工程机械不出现安全事故，提高操作的效率和质量。通过以上分析可以发现一体化监测系统对于工程机械的使用性能、操作效率、安全与可靠性、节能、自动化等多个方面都产生重要影响。但是需要指出的是使用工程机械的毕竟是人，因此在将一体化监测系统引入到工程机械当中的时候，不能忽略人的主体作用。要充分重视人的主动能量，只有这样才能更好的发挥一体化监测系统的作用，提高工程机械的使用效率，推动一体化监测系统的发展和进步。
2 现有工程机械一体化监测系统常见的问题
现有的工程机械一体化监测系统和设备由于不具有通用性，因此经常出现各种问题，导致工程机械一体化监测系统的功能得不到良好的发挥，效率得不到提升。因此有必要认识到目前监测系统存在的各种问题，然后采取针对性的措施加以解决，目前工程机械监测系统及设备存在的问题主要表现在以下几个方面。
2.1 系统监测项目不够齐全
由于应用到工程机械一体化监测系统的各种配件不够齐全，型号不一，类型不同，因此各种测量型的仪表组合并不能完全满足工程机械的监测要求，从而造成对工程机械的一体化监测无法发挥拥有的功能，存在诸多问题，其中一个突出表现就是监测的项目不齐全。工程机械一体化监测项目涉及的范围和领域非常丰富，常见的监测项目包含了电流、气压、电流、气压、油压、油温、水温、转速等，而对于这些项目仅仅依靠一个设备或者不同类型的设备组合是不行的，因此在系统监测项目不够齐全，直接影响了工程机械一体化监测的效果和质量，例如关于电压的监测设备就一般具有对油压的监测功能，无法计算相应的流量和工作时间数等。
2.2 监测设备质量不过关，无法实现系统的正常化
多数用于工程机械一体化监测的设备在质量上由于无法匹配工程机械的性能和操作系统，因此其监测的仪表过多而且比较复杂，其面板的布置也相当不方便。现有的监测仪表大多是很多厂家外购的产品，其种类型号都是不同的，因此用于工程机械一体化监测的仪表种类繁多，质量上无法完全达到工程机械一体化工作的要求，而且由于大小，样式存在差异，导致工程机械一体化的仪盘表看起来十分混乱，不容易观察和监测到数据，直接影响到了工程机械系统运行的正常化，影响工程机械一体化的工作效率和质量。
2.3 工程机械一体化监测设备容易损坏而出现故障
在工程机械一体化监测设备运行过程中，由于种类、型号繁多，生产厂家不同导致其在工作中无法正常运行。再加上在运行中，如果工程机械的操作使用人员对于某个型号的设备的工作原理不能理解，或者理解不透，都会带来种种问题。此外受到生产厂家技术水平的影响，监测设备由于工作环境不合理，不恰当，导致这些设备容易损坏和失效。
如果工程机械在使用与操作过程中，一些监测系统的设备不能经常性的使用，就会导致这些设备在工程机械操作过程中失去作用，而操作人员只能在工程机械监测设备出现故障的情况下，完全依靠自身的经验去判断和操作，直接影响了工程机械的使用效率和质量。
2.4 工程机械一体化监测系统复杂不容易操作
对于工程机械一体化的监测来说，提高其系统的操作性将是一个关键环节。目前很多机械上的监测系统都是安装比较复杂的设备，在信息的传递上效率不高，传递所使用的方式也比较落后。例如有些监测设备的信息传递主要依靠管路传递，这些管路的使用不但增强了监测系统难度而且对于安全性以及信息传递的可靠性也造成影响。因此优化工程机械一体化的监测系统是十分必要的。
3 工程机械一体化监测系统的优化设计的内容
3.1 工程机械一体化监测系统的硬件准备
本系统主要由传感器、中央处理器、显示装置、控制装置四大部分组成。由于工程机械监测系统所要测量的参数较多，且类型不同，所以要采用的传感器也就依具体情况来选用，但总体的原则是均采用现代电子式传感器，即可提高测量精度，也有利于对信息的传递与处理。如电磁式速度传感器、热电偶温度传感器、半导体压力传感器、涡流流量传感器、热线流量传感器等。中央处理器可采用目前比较成熟的单片机处理种功能的软、硬件技术。以日本东芝公司生产的单片机TMP87CH46N/47U为例，其ROM为16 kB，RAM为512 kB，有8个8位A/D转换器，2个8位计时器和2个16位计时器等，且具有功能强大的指令系统，其RAM可实时采集并存贮机械在一定时间内的测量参数，需要时可通过处理器的输出接口输入到计算机内进行处理。显示装置可采用目前较为流行的彩色图文液晶显示屏，由于采用全固体器件，工作可靠，便于适应工程机械的使用要求。目前常见的此种显示屏可具有内置国标汉字库、串行通讯速率20k/s、指令代码编程、16种颜色、单一电源供电等功能，而且可以以模拟与数字共同显示方式显示所测数据，即直观，又准确，完全可以适应工程机械监测的显示之用。控制装置可随时控制显示模式，选定显示参数，各测量参数即可固定显示，也可按控制装置的设定自动轮流显示。
系统开始工作后，各个传感器直接将收集的信号进行转换然后发送至处理器，处理器通过专家系统来进行数据分析并进行判断，如果经过分析判断系统为正常状态，那么则继续监测工作，如果判断系统为异常，则开始报警。然后系统会自行开始对出现的故障和问题进行诊断，以发现其故障原因，并提示出可以采取的维修方式和方法。如果通过诊断发现不了原因，则需要将发生故障时的各种技术参数记录下来，然后借助专家系统数据库将这些故障记录下来，从而形成知识库。
3.2 系统软件设计
系统软件利用中央处理器自身的控制指令，用汇编语言编写，通过编程器输入CPU，机械启动后，该系统自动加电启动，经对各端口及寄存器进行初始化后，开始接收各传感器传来的数据，并对各数据进行处理，经端口检验，将接收到的数据与该端口测量参数的故障极限数据进行比较，若超出正常数据值，则经声光方式给予报警，若所测数据在正常范围内，则不予报警，并将数据存入RAM，然后将数据送入显示模块进行显示。为有效利用该系统的功能，各测量数据由软件设计自动存入其RAM内，需要时可通过系统的输出接口输入到外部计算机内，在计算机上对数据进行详细分析，以进一步了解其工作状况及故障发生时的情况。从以上分析来看，关于工程机械一体化监测系统的优化与设计应该根据工程机械自身的特点来进行，系统的优化设计的一个基本目标是要注重监测系统的可靠性有稳定性，要在注重经济性的同时，采取一些相对简单而又能应付恶劣工作环境的设备，从而提高监测系统的整体性能。
4 结 语
加强工程机械一体化的监测系统的优化设计，已经成为改善工程机械一体化作业精确度和效率的重要途径。针对目前监测设备容易出现各种问题的实际情况，本文对于工程机械一体化监测系统的设计与优化，可以在某种程度上解决当前工程机械一体化操作带来的问题，从而提高工程机械一体化运行的效率和质量。总之，随着现代信息技术的发展，尤其是计算机技术的发展，将微电子控制技术作为核心的机电一体化监测技术必将在工程机械使用以及操作、改造中发挥重要的作用，极大推动工程机械自身性能的改进和技术的创新，这对于推动工程机械技术的发展，提高工程机械的使用效率，将产生重要的影响和价值。相信未来机电一体化技术在工程机械应用的领域和范围将会更加的广泛和深入，因此工程机械一体化监测系统的优化与设计作为一个理论与实践相结合的研究课题具有深远的意义。
参考文献：
[1] 黄宋义.工程机械中机电一体化的应用[J].科技资讯，2009，（18）.
[2] 魏建碑.浅谈机电一体化在工程机械中的应用[J].黑龙江科技信息，2009，（25）.
[3] 冷俊.机电一体化在工程机械中的应用[J].科技资讯，2009，（7）.
关键词 项目教学 CDIO 机械优化设计
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2015.11.061
Teaching Practice of Optimal Design of Machinery Course Based on CDIO
LI Keqin
（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）
Abstract Higher engineering education is experiencing the huge changes， CDIO education concept is gradually accepted by people. And optimal design of machinery is a professional elective course of mechanical engineering， CDIO education concept， introduced in the teaching， make students take the initiative to explore the essence of optimization algorithm， practical optimization algorithm， combined with the practical problems in mechanical engineering and application. To select two project instruction teaching and achieved good teaching effect.
Key words project instruction; CDIO; optimal design of machinery
1 CDIO概述
CDIO①②③代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。
2 机械优化设计课程体系架构
随着设计过程的计算机化，自然就要为设计过程能自动选取最优的设计方案建立一种迅速而行之有效的方法。机械优化设计④应运而生。优化设计借助计算机能进行大量的分析计算，从众多的设计方案中选出一个既满足设计要求又使设计指标最好的最优设计方案。
机械优化设计课程体系大致有四部分：一是优化设计数学基础;二是无约束优化方法;三是约束优化方法与工程应用;四是现代的优化方法与工程应用。当然部分教材只有三部分：优化设计基础;基于导数的优化方法;非导数的优化方法;而现代的优化设计方法的内容极其丰富并在进一步发展完善中。目前的教材以介绍优化基本理论占相当大的篇幅，而缺乏结合优化商品化软件包运用来介绍优化设计的内容，导致学和用的脱节。
3 CDIO和项目教学在机械优化设计课程中的教学实践
MATLAB④⑤是当前最优秀的科学计算软件之一，也是许多科学领域中分析、应用和开发的基本工具。MATLAB经过多年的发展，已经成为一种功能全面的软件，几乎可以解决科学计算中的所有问题，使得MATLAB在机械工程、通信、控制和信号处理等领域得到了广泛应用。
3.1 CDIO项目教学案例之一
CDIO教育理念别强调项目教学和实践。案例一的优化数学模型如式（1）。
（） = + + 4
（） = + 2 ≥ 2 （1）
（） = + 1≥ 0
（） = ≥ 0
（） = ≥ 0
在MATLAB软件环境的CDIO求解过程为：（1）构思，先将优化数学模型的约束条件转化为适宜MATLAB求解的标准形式;（2）设计，如何利用MATLAB软件工具;（3）实现，编写MATLAB程序;（4）运作，调试MATLAB程序并分析优化设计的结论。
优化数学模型的约束条件转化为适宜MATLAB求解的标准形式如式（2）。
（） = + 2 ≤ 0 （2）
（） = + 1≤ 0
（） = ≤ 0
（） = ≤ 0
在MATLAB软件环境中求解过程略。
表1给出了求解运行的结果;图1为优化案例中的目标函数值与循环次数的关系变化趋势示意图。
3.2 CDIO项目教学案例之二
二级圆柱齿轮减速器的优化设计⑥及其MATLAB实现。
如何让其设计的二级圆柱齿轮减速器在现有的条件下实现输出最大、重量最轻或其它目标？这些疑问，可以在机械优化设计课程中得到满意的解决。
案例二的具体要求：二级圆柱齿轮减速器的优化设计问题。要求在满足强度的条件下，使其体积最小，以达到其结构紧凑、质量最小的目的。其输入参数：给定传递的功率 = 6.3kW、总传动比 = 31.5、输入转速（高速轴） = 1450rpm，齿宽系数 = 0.4。大齿轮：45钢正火187～207HBS;小齿轮：45钢调质228～255HBS。总工作时间不少于10年。图2为二级圆柱齿轮减速器传动简图。
案例二是一个机械工程实际问题，在MATLAB软件环境的CDIO求解过程为：（1）构思，利用先修课程，将二级圆柱齿轮减速器问题转化为优化数学模型，即转化为适宜MATLAB求解的标准形式;（2）设计，如何利用MATLAB软件工具;（3）实现，编写MATLAB程序;（4）运作，调试MATLAB程序并分析优化设计的结论。
MATLAB的求解程序和优化结果略。
优化设计结果分析与处理是很重要的一环，也是CDIO和项目教学取得成效的关键环节。
4 结束语
CDIO工程教育的最大特点是项目教学和动手能力的培养。在最近几届的机械优化设计课程教学中，尝试引入MATLAB软件包，贯彻CDIO和项目教学教育理念，让学生在做中学，通过项目带动，设计应用的技能得到强化。教学实践表明，学生的工程实际运用能力有较大的提升。
注释
① The CDIO Syllabus v2.0.An Updated Statement of Goals for Engineering Education [C].Proceedings of the 7th International CDIO Conference，Technical University of Denmark，Copenhagen，2011.June ：20-23.
② 顾佩华，李N平，沈民奋，等.以设计为导向的EIP-CDIO创新型工程人才培养模式[J].中国高等教育，2009（3，4）：47-49.
③ 查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-6，9.
④ 王国强，赵凯军，崔国华.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2009.
关键词：铁路 大型养路机械 制动控制装置优化设计
大型养路机械车作为提高铁路干线的维护保养工作以及提升铁路综合运营能力的重要手段，其在我国的铁路干线的维护与保养中被广泛的应用。根据当前国内使用最多的大型养路机械车的制动控制装备上来看，主要是安装在司机工作室内通过制动操纵部件来实现自动发出制动信号来控制制动，信号的种类也按照功能不同被分为自动制动、单独自动制动，单独缓解制动以及主动制动几个不同的方面。从制动方式上看，主要是由自动制动阀以及单独制动阀构成。其中，自动制动阀以及单独制动阀都是使用了传统的DK-1型的空气制动阀来实现制动的，其中，自动制动阀通过DK-1型空气制动阀的空位实现，而单独自动阀则是通过DK-1空气制动阀的电位来实现。
一、铁路大型养路机械车制动控制装置设计中存在的问题
1.制动的结构功能过于复杂，利用率较低
当前国内大型养路机械车的制动控制装置的设计存在着严重的结构功能过意复杂、利用率较低的问题。在大型养路机械车的正常使用中，由于会频繁切换自动制动阀以及单独制动阀，而自动制动阀与单独制动阀之间存在着明显的落差，切换的损耗较大，而频繁切换所带来的不单单是机械程度上的磨损，更多的是带来大量的故障发生几率，所以当前制动的设计功能过分复杂，利用率较低的问题会严重影响大型养路机械车的正常使用。
2.安全性差，故障导向不安全
铁路大型养路机械车制动控制设计中的安全性问题主要出现在单独制动阀的开启时依靠定位弹簧来实现，并且定位弹簧中会安装柱塞。而由于弹簧本身属于易损件，在频繁的切换中往往会逐步失去弹性，而弹性的降低又会加速橡皮圈的磨损程度，长此以往，就会逐渐造成柱塞不能够到达制动位置，如果没有做到及时检修排除故障，极易出现安全事故。所以说，目前铁路大型养路机械车的制动设计中存在着明显的安全性问题，并且故障导向不清晰，容易造成事故。为了解决这个问题，最简单直接的办法就是添加一个辅助制动工具，以此来预防在单独制动阀使用出现问题时可以实现辅助制动，不至于造成安全事故。
3.操作机械臂设计不合理，卡滞经常出现
制动器的制动手柄设计不合理，在DK-1空气制动阀制动时，由于凸轮对于柱塞的定位要求较高，对于弹簧的弹力要求较大，随意经常出现弹力不足，定位不精准而引起卡滞，手柄一旦卡滞会严重影响到大型养路机械车的正常使用，也会给安全性埋下隐患，所以必须要在机械养路设计车的设计过程中予以根除。
4.链接可靠性较低
根据当前我国铁路大型养路车辆的制动装置的设计来看，链接处基本还是使用了传统的管式连接，而管式连接存在着明显的可靠性、安全性问题，再加上在制动装置内部采取了分散式的安装办法，一旦出现故障排查难度较大，维护难度较高。
二、铁路大型养路机械车制动控制装置优化设计思路
1.重新设计自动制动阀以及单独制动阀
对于自动制动阀以及单独制动阀进行重新设计，对于传统设计中，往往会通过凸轮的定位机构以及电控转换结构来实现自动制动阀与单独制动阀的分离，由于这样的设计方案存在着安全稳定性差，磨损严重，故障排除难度大等问题，所以必须从根源上进行重新设计才能够去除。设计的整体思路是通过定位机构的重新调整，一次来改变DK-1型空气控制阀的安全导向以及故障导向问题，另外还要通过重新计算手柄的按键位置，来解决卡滞的问题。
2.取消各个部件之间的管式连接
由于管式连接存在着可靠性差，链接质量不稳定等问题，所以在本次设计中要进行重新设计，取消各个部件之间的管式链接关系。基本设计思路是通过板式链接的方式对整个制动装置进行重新设计，设计基本方向是降低体积，提高安全可靠性，同时实现自动制动阀以及单独制动阀之间的按钮控制需求，实现简单化、高效化、低故障化。
3.将按键做好集成安装，并且组成固定的安装部件
