机械设计的范围很广，天上飞的，地上跑的各种各样的东西，当你拆了电缆、卸掉管路以后，基本上就算是机械结构。而且机械这种东西比较直观，所有的东西都摆在面上，好不好使一目了然，当造成破坏和事故的时候，也更容易遭人诟病，使你无处遁形，也不好狡辩。

机械分成两大类：

一类是“运动结构”；

另一类是“静态结构”；

运动结构可以从飞行装置算起，从航天器，到飞行器，再到各种运动的设备，本质都是一样的东西。静态结构包含各种桥梁、建筑结构、各种工业的仓体、支撑结构和各种梁体、底座、绗架、网架等等。相对而言，机械设计的‘人才’也可以分成两类，一类是擅长设计‘运动结构’的家伙，另一类人才是善于设计‘静态结构’的。

静态钢结构

许多搞机械的、自认为是有天赋的家伙自己就瞧不起稿‘静态结构’的其他人，他们觉得设计各种支撑梁、连杆、绗架、底座，以至于是设计斜拉结构和悬索结构的人都是没有什么水平的人，干这种活体现不了人生的价值，事实并不是这样的。当一个重载箱型梁破坏的时候，能说得清楚是什么原因导致破坏的人实际上并不是很多，这正说明懂得设计这种东西的人其实不多。

除此以外，什么时候用绗架，什么时候用箱型梁，其各自的载荷特点和承载方式也是许多‘聪明人’说不清楚的。我国因为没有工程学的教育，大家又都学的很窄，纯理论的课堂教育。于是，很多的问题都说不清。计算一个承载结构，不外乎是计算强度、刚度和结构的稳定性。计算强度是比较简单的事情，你只要上过中专，你就应该很明确地计算出一个断面的强度，无论断面的结构有多复杂，就是花费的时间长短的问题。假如你说不会算，谁都帮不上你，只有再回学校念书。而刚度的计算就比较复杂一些，要考虑各种工况，考虑最复杂的一种组合状态，这就不是学校里能学到的东西了，想学明白了，第一要有好的师父，师父就不明白，你学不明白。第二，就是你要肯学，要下功夫。

比较复杂的问题是计算一个结构的稳定性，它不仅要考虑工况，许多外在的条件你必须要考虑进去。比如：当你设计一个大型的料仓和附属结构的时候，要考虑的因素就特别多，例如，风雪引起的荷载，地震的不同振型引起的破坏效应等等东西。就仓体的支撑形式而言，条件许可的时候，要尽可能采用较为‘柔和’的多柱支撑结构，在地震过程中，它的“弹性”和“柔软性”都比较好，在承受以‘扭转’振型为主的地震破坏中，边上的柱子的联结节点可以‘拧断’，以吸收地震的冲击波。

静态铝结构

假如我们把钢结构叫‘重型结构’的话，铝结构就是‘轻结构’，它的设计与钢结构是完全不同的，或者说根本就是两码事。有些时候，因为某些需求，你必须设计铝结构。

铝是一种柔软而耐氧化的物质，正是因为这些特点，它不太适合做结构件使用，首先是不宜焊接，另外是比钢材的耐温性能差许多，但对于某些领域又必须使用它，于是人们开发了许多与钢结构完全不同的设计方式来利用铝及其合金结构。

由于铝的机械性能差，美国率先开发所谓的‘硬铝’用作航空材料，除少量必须用钢材的结构以外，当年的大型轰炸机的机身和机翼都是这东西，由于铝的延展性能好，做结构件时，要充分利用这种性能，使应力大的地方实行一体化的结构设计，避免使用铆接，连接的位置可以在‘中性线’上，大大地提高了铝结构的整体承载能力。这一点和钢结构的设计完全不同。

纤维热压增强材料、合金材料

随着人们对航空器‘更高、更大、更快、更远、寿命更长、事故条件下的生存能力更强’的多‘更’要求，铝材已经远远不能满足这些要求了。无论是强度、刚度和温度适应性及稳定性能都不够了。这时，纤维热压增强材料就开始逐步登上历史舞台了。

这些纤维热压增强材料主要是做结构用的碳纤维结构材料和做蒙皮及结构翼板的凯夫拉夹层材料。碳纤维的模量很大，用它制作的结构，在有很高的强度的同时可以有很大的刚性，这是其它材料所不具备的。碳蜂窝结构是历史上最强的蜂窝结构。

驱动装置-电机

你无论是设计哪种系统，首先你要分清楚这东西的实质所在，才能选择用什么方式加以驱动。说到这里，我们不得不说一下驱动一个系统用到的原动机。原动机主要有各种电动机、活塞式内燃机、涡轮轴式燃气轮机、外燃式的斯特林机、驱动大型风机和压缩机的蒸汽轮机等。无论如何，我们最多采用的是各种电动机。

各种电动机都有不同的启动特性和负载特性，要根据不同的情况加以选择和控制。设计棒材轧机的定尺飞剪时，主要考虑电机的启动特性，电机要适应频繁的连续启动，启动过程要准确。设计轧机的时候，主电机主要考虑的是过载倍数是否合适，过载倍数不够，轧机的力能参数不够，光能转又有什么用？

设计冷床的时候，假如你是采用启动/停止的方式，就要选择较大的电机，当采用气动离合器的方式时，电机相对就小些。这些都是根据计算得出的。

说到计算一个电机驱动的系统时，电机是否合适？曾经有许多的说法，很多书里说了不同的观点，有时把人说得云山雾罩，不知所以然，有些东西我参考，有些东西只是看看算了。

什么叫电机选择得合适？就是在工作载荷的条件下基本达到额定状态，留下一点富裕就够了，留多少富裕的功率，那要看你选择的是谁的电机，假如是德国的电机，你在90%的额定条件下可以长期使用，如果是美国的电机，有时可以使到100%。有些电机，你就要慎重，可以询问厂家，到底可以在什么条件下使用，给你的答复有时是75%，有时还要低，但你也要遵循，谁让你想少花银子呢？

电机到底在什么条件下会烧了，一堆人可能有许多的说法，无论谁说过什么，最终的答案都只是一种：那就是积累的热量。请你记住，只有发热超过散热并累计上升到规定的温度，同时持续一定的时间，最终烧毁绝缘的时候，电机就烧了。

在实际的设备设计中，有时，你按工作载荷计算的电机功率是不能满足启动要求的，因为过长的启动时间将瞬间产生大量的热，使系统马上被‘顶掉’。但你若是按启动工况计算电机的功率，就会严重富裕，这将导致系统的效率下降，对整个的工厂是没什么好处的。这时，你就要在这两者之间做出平衡，平衡不了的时候，就要另加一个装置专门负责启动，这种东西的工作原理各不相同，最简单的就是两个电机串在一起，用离合器联接，启动的时候，两个电机同时工作，正常工作的时候，断开一个，使用一个。

其实，你只需掌握几点关键的东西：

启动期间的发热是否超限，如果启动的次数很少，首次启动是冷车启动，即使发热略有超过，也不会怎么样，但时间不能太长，长了，对电机的寿命有影响。

电机在工作期间的过载问题必须仔细计算，力能参数满足需求的时候，主要是计算每一个循环的发热是否满足要求，应该使用什么方式进行散热，对于封闭式电机的计算要特别注意使用的环境。而对于特殊的气候条件，比如湿热带的气候，要使用专门的湿热带电机，以前，有的公司出口设备到印尼去就有这类的问题。

在系统减速阶段，你可能用到某些减速的方式，假如和电机的力能参数有关的话，也要仔细计算，力能参数合适以后，再算发热量，总之，你什么都算过，并且都算对了，在工程中出的错误就少。

真正选择电机的时候，你会看到有同步机，异步机，异步机里还有众多的分类，当然还有直流机、各种伺服电机、步进电机、开关磁阻电机，许多我都用过，书里有明确的原理说明，厂家有详细的曲线参数表，这些东西我不能侃，一侃就要露怯，在选电机之前要仔细地想好了，你要驱动的是什么系统，到底会发生什么事情，这才是问题的关键。

在使用电机不方便的场合下，可能你被迫要使用其他的原动机，例如，在输油中继站要使用柴油机，这东西和电机的特性是完全不同的，要考虑一大堆的东西，比如液力耦合器及控制系统，调速装置，齿轮变速箱，散热器和循环系统等，你别嫌麻烦，挣钱麻烦吗？

在输气的线路上，假如气体的热值和灰份等质量合适又有处理站的话，可能使用涡轮轴燃气轮机，这东西是高速机，减速装置比较复杂，还要有一大堆的监控系统，但它的效率很高，装置比较小。还有使用斯特林机的，可能场合特殊，那东西很安静，有在车上使用的，我没用过。

被驱动装置

假如一个驱动力可以使系统启动的话，系统就可以开始运转，但运转的过程中还会发生许多的问题。按我的习惯，我把这些问题归为四类，即：

（1）控制位置精度的问题。

（2）平衡问题。

（3）振动问题。

（4）润滑问题

控制位置精度

控制位置精度的问题是一个比较复杂的问题，它与控制系统的选择、被驱动件的惯量、控制的算法等一系列因素有关。

对于要求高速运动，而定位准确的物体，减少自身的惯量而提高其刚度是尤其重要的。有时，你必须放弃钢铁、铝合金等结构而转求采用复合材料。不管对谁来说，一个大而重的东西比轻的东西就是难以控制。在提高刚度的同时，还应该提高结构的自振频率，这对于提高位置控制精度都有很大的帮助。

就控制系统来说，不是你选择的系统精度越高就越好，过高的精度有时没有必要，它无故地增加了制造的成本。有时，你提出的、超高的精度其实是实现不了的，比如，你要求热轧板带的精度到‘缪’级就很难做到。还有就是，太高的精度引起的系统震荡也是很难处理的，有时是对生产过程的严重干扰，可以大大地降低生产效率。

提高一个系统的位置控制精度和算法还有很大的关系，你的算法比较先进，简单地解出轨迹和正确地修正和差补，都是提高控制精度的有效手段。

作为机械设计者，在设计这类东西时，你应该是先设计好你的所有机构，做完所有的惯量计算，找到最大的惯性力作用点和外载荷的附加点，再和专业的自控公司的家伙谈控制，看他们的伺服电机或步进电机的力能参数是不是可以，控制卡是不是有这么高的响应和适当的电流输出，你就可以得出结论，谁的东西是可以使用的，谁是真正混事的家伙。只有这样，你设计的东西，你才知道最终是不是可以使用，即使在使用中有问题，也可以知道是在哪里出了问题？到底是驱动跟不上？还是算法的问题，或是控制电路的问题。不知道这些，永远是糊涂的。

平衡问题

说到一个系统的平衡问题，也有许多的讲究，例如大型的棒材轧机的冷床就是一个很好的例子。

从精轧机经过倍尺飞剪上到冷床的棒材的规格随着生产的规格调整时刻在变化中，规格从∮10到∮40都有，究竟在哪一点平衡冷床是有说道的，你要和轧钢工艺的家伙仔细探讨，找到最常生产的规格，还要考虑生产的连续时间，工作做细了，对设备的寿命、电耗都有利，但能考虑这些东西的家伙是非常少的。

平衡不好的话，不仅是设备寿命受影响，基础的寿命减低，还可能把床面甩下来，几百吨的家伙，甩飞是什么后果？所以，当你接手设计这东西的时候，会有许多的人劝你这家伙的可怕后果，但东西设计好，摆在那里，大家能抄许多年，也是一件趣事。

振动问题

平衡问题与振动问题有时是一个问题，有时是两个问题，有时二者有关系，有时一点关系都没有。做好平衡在某些场合可以减少振动，有时就不能，甚至根本就不能。

运动系统的振动有许多的原因，一些是由不平衡引起的，这些东西只要简单地加以平衡就可以解决。有些是由于外界的激振源的振动频率和系统接近而导致振动，附近的空压机、活塞式内燃机、有时甚至是某些液压泵组也可以引起振动，要先找到振动的激励源，做相应的处理，此类问题就可以解决。

比较难以处理的是扭转振动，特别是采用活塞式内燃机驱动的设备。这种振动一旦发生，很难消除，并严重地影响设备的使用寿命，甚至是很严重的破坏事故

做长轴系的设计的时候，要事先计算整个系统的扭振问题，只有计算完了这东西，才能开展结构设计。

产品设计

机械行业是一个宽泛的领域，我想不出对工程师有什么限制，有什么是不能从事的？无论是石化、航空/航天、海洋设备、金属行业、采矿及勘探，无不深深地打着机械的烙印，他们都是可以供机械工程师发挥才能的地方，每次听别人说：那不是我的专业！我不会！我都要问人家：你给自己限定的专业是什么？

在机械行业做事，可以把事情分成两类：

第一类是做单体的产品，或者叫设备，搞这类东西要求有一定的深度和适当的广度。

第二类是做工程，或者叫线，作这类事情和搞产品需要的知识正好相反，它需要的是比较宽的广度和适当的深度。

假如我问你，设计、制造加湿器或激光设备，与设计一台钢包翻转台有什么不同吗？不知你如何回答，反正我认为都差不多，只是有些东西复杂点，花的时间多些罢了。

作产品，你其实要把握的就是两点，第一就是这东西干吗用？第二就是怎么把这东西用好？掌握这两点你以为容易吗？我分析过无数的东西，就是上面这两点没弄明白，南极雪地车的履带板其实要求的强度并不大，但环境温度特低，我们常规的电机到了印尼，使用的寿命下降许多，因为那是湿热带气候。所以，充分了解使用条件和工艺要求是非常重要的.有的时候，你就被迫走上系统集成，也就是做工程，或者叫做‘线’的道路。那也许不是你最初的选择。

做工程，没有什么技术含量，但不是谁都能做，道理其实特别简单，《全唐诗》就放在那，有几个能背地出来的？作工程需要经验、博大而宽广的知识面，庞大的朋友和供货商的圈子，资金的支持等许多东西，即使别人想仿制，一时也难。

说到做工程，一般我们是这样划分工程种类的：

重装备线：炼钢、连铸、轧钢、无缝管、各种精整、剪切线、大焊管等。

轻装备线：电子设备组装线、生化处理线、饮料线、包装线、印刷线、造粒、塑管线等。

冷装配线：各种发动机组装线，轻型车辆装配线等。大型的车辆装配线不是一般人玩的东西，一般是发达国家先有，使一些年以后，人家上新线了，旧线重新喷漆、搭配以后作为合资的资本金给较为落后的国家，其实也不是人家看不起你，是因为你用不上新的，大型的线，因为你的生产能力太小。

热加工线：包括热模锻线、连续挤压线、铸造线、耐火材料线等。