現(xiàn)代工程機械的八大技術(shù)進步

現(xiàn)代工程機械的八大技術(shù)進步

　從20世紀80年代到本世紀初，中外工程機械產(chǎn)品技術(shù)已從一個成熟期走到了現(xiàn)代化時期伴隨著一場新的技術(shù)革命，工程機械產(chǎn)品的綜合技術(shù)水平躍上了一個新的臺階。電子技術(shù)、微電腦、傳感器、電液伺服與控制系統(tǒng)集成化改造了傳統(tǒng)的工程機械產(chǎn)品，計算機輔助設(shè)計、輔助制造及輔助管理裝備了工程機械制造業(yè)，IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也裝備了工程機械的銷售與信息傳遞系統(tǒng)，從而讓人們看到了一個全新的工程機械行業(yè)。新的工程機械產(chǎn)品在工作效率、作業(yè)質(zhì)量、環(huán)境保護、操作性能及自動化程度諸多方面都是以往所不可比擬的，并且在向著進一步的智能化和機器人化方向邁進。
1、作業(yè)原理創(chuàng)新：新法破土與高頻振動
　　隨著科學技術(shù)研究水平的不斷發(fā)展，工程機械的作業(yè)理論也在不斷地創(chuàng)新。工程機械的作業(yè)原理包括對土石方的切割、破碎、回填，對土工材料的篩分、混合與加熱，對混合料的攤鋪、找平與壓實等。這些作業(yè)理原先是以仿生學與牛頓力學為基礎(chǔ)的，而近現(xiàn)代科學的發(fā)展為工程機械作業(yè)原理的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。例如機械振動、脈沖、射流、光電效應(yīng)及熱物理學的應(yīng)用， 為工程機械節(jié)省資源，改善施工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、工作可靠性、駕駛舒適性與自動化程度創(chuàng)造了條件。
　　挖掘機、推土機、裝載機等土方工程機械切割破土，現(xiàn)在有了無斗銑切法、高頻振動法、液氣射流法及微孔破土法。使用新的破土作業(yè)原理改造的鏟斗、松土器可以開挖高強度的巖土，在一般情況下都可以降低單位土方費用與提高生產(chǎn)效率，并且在靠近建筑物挖土時可代替鉆孔—爆破法施工。
　　振動壓路機是利用機械振動而又要達成“振地不振人”作業(yè)效果的最有力說明。高頻振動壓實技術(shù)的應(yīng)用是近代動力學在工程機械上的重要科研成果，在振動壓路機上同時應(yīng)用了振動與隔振理論。20世紀90年代以來，出現(xiàn)了水平振動（振蕩）與垂直振動的定向振動壓實方法，以及無級調(diào)幅振動和不同于簡諧振動的混沌振動等振動壓實作業(yè)原理，并且形成了相應(yīng)系列的振動壓路機。沖擊式壓路機打破了原有傳統(tǒng)的圓柱形滾輪結(jié)構(gòu)，使用具有3-5個邊的多邊形壓滾由牽引車拖行，以每秒2-3次順序地沖擊地面。這種劇烈沖擊具有地震波的傳播特性，其壓實深度隨碾壓遍數(shù)而遞增，在5m深處的壓實度可達90%-92%。沖擊壓路機具有靜壓沖擊、振動搗實與揉搓的綜合作用，適合大型填方、塌陷土壤和干砂填筑工程的壓實。
　　瀝青混凝土攤鋪機慰平工作裝置更是工程機械作業(yè)原理創(chuàng)新的典型例子。慰平板使用柴油、液化氣或電加熱和72Hz的調(diào)頻振動，并采用紅外線、激光或超聲波找平， 是多學科高新技術(shù)的應(yīng)用。這其中的找平技術(shù)也可以應(yīng)用到平地機上，作為地平或坡面的精細找平。
　　調(diào)頻率機械振動還通常用于鑿巖、石料破碎與篩分及沉拔樁等工程施工。石料的烘干可以使用柴油、重油和煤粉多種燃料的燃燒器，瀝青的脫桶、加熱及瀝青混合料的攪拌與保溫過程中都充分運用了熱物理學原理。瀝青的乳化與改性都是一些化學物理反應(yīng)的具體應(yīng)用。
2、傳動方式創(chuàng)新：普及液壓與電氣傳動
　　液壓傳動在20世紀60年代開始應(yīng)用到了壓路機上，只十多年的時間就得到了推廣和普及?，F(xiàn)在壓路機的行走、振動、轉(zhuǎn)向及制動等系統(tǒng)已實現(xiàn)了全液壓傳動。液壓傳動大大簡化了壓路機傳動與操縱系統(tǒng)的設(shè)計，液壓傳動平穩(wěn)、操縱方便省力、容易實現(xiàn)無級調(diào)速和自動控制、從總體上提高了壓路機的生產(chǎn)效率與壓實質(zhì)量?，F(xiàn)在國外市場上已經(jīng)很少見到機械傳動的壓路機了。
　　靜液壓傳動技術(shù)于70年代開始應(yīng)用到了推土機上，并且很快推廣到了一些中小型推土機和裝載機上，美國約翰·迪爾公司、卡特彼勒公司、德國利渤海爾公司及日本小松制作所都生產(chǎn)和銷售全液壓推寺機與裝載機。靜液壓傳動不使用液力變矩器，還省去了離且器與行車制動器及部分機械傳動機構(gòu)，能利用安全閥對機械和液壓系統(tǒng)實現(xiàn)過載保護，并以較小的索引功率發(fā)揮最大的索引力，其剩余的功率可用在機器的輔助操作上。
　　德國的德馬克公司和利渤海爾公司公別于1954年和1955年率先開發(fā)了全液壓挖掘機，但靜液壓傳動在挖掘機上大量的推廣應(yīng)用也是在70年代。自80年代初以來，挖掘機從大到小正逐步實現(xiàn)了驅(qū)動行走、回轉(zhuǎn)與挖掘機的全液壓化。在國際市場上的挖掘機，已全部淘汰了各種機械傳動機構(gòu)。
　　誕生歷史比較晚的路面機械更是以全液壓傳動為主，如攤鋪機、穩(wěn)定土拌和機、路面銑刨機等，液壓傳動的平穩(wěn)性有助于提高路面的鋪筑質(zhì)量。在鑿巖臺車和鑿巖機上，液壓傳動已取代了以往的氣動，現(xiàn)代輪式起重機和樁工機械也工向全液壓化的方向發(fā)展。
　　電力在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用雖然已有很長的歷史了，但在移動式機械上使用尚不多見。這首先是因為電動機的能容量小，一臺電動機與同功率的液壓馬達相比，其重量和體積要大好多倍，這給機器的空間布置帶來了很大困難。另外，電氣傳動的效率比效低，而消耗有色金屬量大。但電氣傳動能很好地實現(xiàn)無級調(diào)速、電氣制動和功率分流，電傳動更方便和易于大型礦車、大型挖掘機和大型裝載機上，以發(fā)動機—發(fā)電機—電動車輪傳遞行駛動力。德國福格勒公司還試制了電動車輪傳遞行駛動力。德國福格勒公司還試制了電傳動的瀝青攤鋪機，該機的所有回轉(zhuǎn)系統(tǒng)都用電馬達帶動，只有料斗開合與慰平板找平油缸仍使用液壓傳動。另外就是在作業(yè)區(qū)域移動較小的采礦工地上，使用了電力拖動的大型挖掘機的裝載機，這種電力拖動使用電纜傳輸動力而不必在機器上安裝發(fā)動機。
3、人機工程創(chuàng)新：以人為本與簡化操作
　　20世紀80年代以來，世界上許多大的工程機械制造公司都投入很大的人力和資金促進現(xiàn)代設(shè)計方法學的研究和應(yīng)用。人機工程學是“以人為本”的設(shè)計思想，注重機器與人的相互協(xié)調(diào)，提高人機安全性、駕駛舒適性，方便于司機操作和技術(shù)保養(yǎng)，這樣既改善了司機的工作條件，又提高了生產(chǎn)效率，有的國家對工程機械的振動、噪聲、廢氣排放和防翻滾與落物制定了新的標準，甚至付諸法律。
　　現(xiàn)在各類工程機械都是設(shè)計有防翻滾和落物保護裝置，以保護司機的人身安全，并且都是與駕駛室分別設(shè)計和安裝。駕駛室內(nèi)有足夠的人體空間和開闊的視野，并采取必要的密封、減振、降噪和控溫措施。室內(nèi)的座椅、操縱桿件、儀表與監(jiān)視器都按人機工程學布置，并且盡量減少操縱部位與操縱力。為了減輕司機的疲勞，選用懸浮式減振座椅，并研制了氣—液懸持系統(tǒng)的駕駛室底板。
　　電子技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用，大大簡化了司機的操作程序和提高了機器的技術(shù)性能。利用電子控制可以自動選擇機器的作業(yè)模式，例如挖掘機的3種作業(yè)模式——動臂優(yōu)先、回轉(zhuǎn)優(yōu)先和微調(diào)整，串聯(lián)振動和雙輪全振動等。利用電子監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)和排除機器系統(tǒng)的故障，例如發(fā)動機潤滑油失壓、風扇傳動帶斷裂、液壓油污染或過熱和濾油器堵塞等，均能及時發(fā)出聲響或燈光報警，利用電子傳感器經(jīng)微電腦處理可以自動檢測機器的工作質(zhì)量，如隨機檢測振動壓路機的壓實度，自動檢測與調(diào)整瀝青混合料的級配比例與出料溫度等。
　　美國消音技術(shù)公司研制了一種電子消音器，通過電子儀器分析發(fā)動機排氣噪聲的波形結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生一種與之相位差180°的干擾聲波，這種“抗噪聲”與發(fā)動機排氣的噪聲相抵消，從而過到消聲的目的。這種電了消音器還可用于消除發(fā)動機的基本噪聲和駕駛室內(nèi)的噪聲。通過消音和隔離的工程機械駕駛室內(nèi)噪聲可以降低到70dB（A）以下。
　　另外，通過集中潤滑、自動潤滑及故障自動報警，大大減少了工程機械的維修工作量。德萊賽公司裝載機鉸接軸的潤滑周期可延長到2000h，更換機油和濾清器的周期延長到250h；卡特彼勒公司裝載機的日常檢修時間縮短到3.45min，使用100h的技術(shù)保養(yǎng)時間也僅有6-7min。

4、外觀造型創(chuàng)新：工業(yè)設(shè)計與環(huán)境協(xié)調(diào)
　　現(xiàn)代科學技術(shù)的高速發(fā)展，推動著社會的進步，給人類帶來了高度的物質(zhì)文明與精神文明。工業(yè)設(shè)計即是工業(yè)產(chǎn)品的造型設(shè)計，也稱其為產(chǎn)品的藝術(shù)造型。機械產(chǎn)品的藝術(shù)造型應(yīng)能體現(xiàn)其功能的合理性及外在質(zhì)量的統(tǒng)一性，還應(yīng)體現(xiàn)出產(chǎn)品的技術(shù)先進性和符合時代感的審美要求。
　　對于工程機械，有人說“貨賣一張皮”那是言過其實，但不重視造型設(shè)計肯定是不可取的。工程機械的造型設(shè)計可以使機器的形態(tài)與其結(jié)構(gòu)、功能及使用要求相統(tǒng)一，并與人的生理及心理相協(xié)調(diào)。這種造型設(shè)計 應(yīng)包括各部的比例得當，形體流暢、色彩協(xié)調(diào)、儀表布置美觀以及便于直觀操作和有醒目的商標符號?，F(xiàn)在世界各大公司都非常重視產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計 ，并且出現(xiàn)了專門的研究和設(shè)計機構(gòu)。
　　居世界領(lǐng)先地位的壓實機左制造商——寶馬公司，其第三化壓實機械的機器造型由工業(yè)設(shè)計專家Louis.L.lepoix設(shè)計，產(chǎn)生了良好的綜合效果。該系列拆裝更換濾清器、傳動件、軟管及日常保養(yǎng)都是很方便。采用圓弧形的現(xiàn)代駕駛室和在傾角的發(fā)動機罩視野開闊、線條流暢，具有時代氣息。駕駛方向盤的高度與傾角可調(diào)，選用舒適的高靠背可調(diào)減振座椅，給駕駛員準備了良好的操作環(huán)境。儀器儀表盤設(shè)計合理，易于觀察和控制，發(fā)動機罩的傾斜給駕駛員提供了良好的視角。液壓轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)移到了駕駛室外，以減少駕駛室內(nèi)的發(fā)熱與噪聲。圓弧形的擋風玻璃和駕駛室的四個外支承可隔離噪聲與振動，使室內(nèi)的噪聲低于70dB(A)。
　　其它的許多工程機械也都是不同程度地注重了工業(yè)設(shè)計，例如零部件布置盡量下移，以降低整機重心；適當?shù)財U大支承面積，以增加機器的穩(wěn)定度；左右布置盡量對稱，以符合人的美感；去掉一些外觀造型的尖角、棱邊，以顯示線條的流暢等。工程機械的油漆更是其工業(yè) 設(shè)計的重要內(nèi)容，整機的色調(diào)應(yīng)能引人注意，增加作業(yè)環(huán)境的安全，并與野外施工現(xiàn)場的綠樹田野相映襯、協(xié)調(diào)，使用套色的水平腰線和增加下車的色彩濃度可以增加機器的視覺穩(wěn)定性等。
5、設(shè)計方法創(chuàng)新：電腦應(yīng)用與模塊設(shè)計
　　現(xiàn)代設(shè)計方法在工程機械上的應(yīng)用近20年來獲得了突飛猛進的發(fā)展，并開發(fā)成功了大量新機備種。這些機種包括路面施工與養(yǎng)護機械、地下施工機械、環(huán)境保護機械、高空作業(yè)機械及土壤改良機械等。。
　　現(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法最大的不同是普及應(yīng)用了電子計算機。以往一種新型需要多次反復試制、試驗和修改才能定型，一般需要幾年的時間 。在計算機上，新產(chǎn)品設(shè)計可采用三維數(shù)字化建模，利用專業(yè)CAD軟件進行基礎(chǔ)零部件優(yōu)化選擇與分析計算，直到生成工程圖和進行三維虛擬裝配及模擬試驗。
　　現(xiàn)代設(shè)計方法包括的面很廣，如相似設(shè)計、模塊化設(shè)計 、動態(tài)分析、優(yōu)化設(shè)計及人機工程與工業(yè)造型的應(yīng)用等，體現(xiàn)在機器形體上最明顯的是模塊化設(shè)計。
　　模塊化設(shè)計包括了以往所說的部件化，通用化及設(shè)計過程中的軟件模塊化。部件化是將機器的每個部件都設(shè)計成結(jié)構(gòu)完善的獨立單元，簡化相鄰部件之間的連接，以便于安裝與調(diào)整，便于存放與運輸，便于維修與保養(yǎng)，而且也便于社會化生產(chǎn)。通用化是選用相應(yīng)的部件單元做不同的連接拼裝可組成不同技術(shù)性能的機器，這樣可以增加部件的生產(chǎn)批量，從而降低整機的制造成本。設(shè)計軟件的模塊化大大加快了新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)進度 。
　　對一般的行走式工程機械，其發(fā)動機、液壓件、傳動件、回轉(zhuǎn)機構(gòu)及電腦控制板等都是相對獨立的設(shè)計或選用。機器的工用裝置可以設(shè)計成典型結(jié)構(gòu)，機器的傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等可以分解成不同的設(shè)計單元，例如傳動系統(tǒng)分解成變速器、聯(lián)軸器、離合器、制動器、驅(qū)動橋、行走裝置等，液壓系統(tǒng)分解成閉式傳動、開式傳動、多路閥系統(tǒng)等。對于典型工作機構(gòu)及系統(tǒng)單元也可以按整機的技術(shù)性能做不同的組合，或者按機器規(guī)格的大小用相似設(shè)計。
　　對于固定式安裝大型工程機組，如石料破碎與篩分聯(lián)合設(shè)備，各種混合料攪拌設(shè)備及盾構(gòu)設(shè)備等。其機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，遷移運輸困難，涉及的知識領(lǐng)域廣泛，模塊化設(shè)計就更顯必要。
6、制造過程創(chuàng)新：虛擬制造與并行工程
　　現(xiàn)代化的信息技術(shù)與全球經(jīng)濟一體化，為機器制造業(yè)的虛擬化制造創(chuàng)立了條件。在工程機械的各大跨國公司中，一個明顯的趨勢是制造商集中力量做好開發(fā)研究和設(shè)備組裝，公司不再制造零部件，而把難題推給零部件供應(yīng)商去做。產(chǎn)品主機制造商與零部件供應(yīng)商及科研開發(fā)機構(gòu)相互協(xié)作，發(fā)揮各方的主創(chuàng)精神，共同研制和生產(chǎn)適銷對路的產(chǎn)品，大家共生共榮。現(xiàn)在沒有哪一家工程機械制造高能單獨依靠自身力量完成一種主機產(chǎn)品的生部生產(chǎn)過程，而是各方分工合用，這就像一個“虛擬化”的大企業(yè)，虛擬企業(yè)是一個沒有圍墻、超越空間、依靠網(wǎng)絡(luò)聯(lián)和統(tǒng)一指揮的臨時合作經(jīng)濟實體。
　　虛擬化制造要以模塊化設(shè)計為基礎(chǔ)，并且是一種設(shè)計與制造過程中的并行工程。主機制造商在開發(fā)的初期做好市場論證和總體結(jié)構(gòu)方案，將各個配套件分解給供應(yīng)高，由其根據(jù)總體方案的要求自行設(shè)計與生產(chǎn)制造。在整個開發(fā)過程中，要由主機制造商進行協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)的內(nèi)容包括技術(shù)要求，成本控制、相互銜接用生產(chǎn)進度等，這樣可以大大加快新產(chǎn)品的開發(fā)進度，對市場需求做出更靈敏的響應(yīng)。
　　并行工程的目標是通過新產(chǎn)品開發(fā)各階段的工作同時并行，以加速開發(fā)過程。產(chǎn)品開發(fā)過程包括4個階段：①設(shè)計——形成總體裝配和零部件圖；②造型—制作非功能性模型；③試制—制造與試驗樣機的功能性模型；④生產(chǎn)—批量試制并驗證工藝裝備。在并行工程中，這些工作要有機地安排成齊頭并進，從而大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)進程。
　　采用虛擬制造與并行工程的必要條件是計算機的普及應(yīng)用。在計算機上利用CAD-CAE軟件網(wǎng)絡(luò)，不僅可以根據(jù)設(shè)計者的構(gòu)思自動生成工程圖形和實體模型，而且可以進行結(jié)構(gòu)件強度分析和機構(gòu)運動學分析，以及整機和零部件的參數(shù)優(yōu)化和動態(tài)仿真試驗等。設(shè)計的工程圖形（零部件）通過數(shù)據(jù)庫直接傳輸給工藝部門，就可以編制工藝路線和設(shè)計工裝刀具，也可以通過CAM直接生成數(shù)控加工程序軟件，很快就可在數(shù)控機床或加工中心上試制出樣品。
　　普及應(yīng)用虛擬制造與并行工程的企業(yè)，一種系列工程機械產(chǎn)品的開發(fā)周期可以縮短到了3個月以內(nèi)，大大加強了其市場競爭實力。
7、控制方法創(chuàng)新：電子控制與信息集成
　　機器的大規(guī)模信息集成，誕生了機電信一體化?，F(xiàn)代電子技術(shù)催生了工程機械的機電信一體化。電子技術(shù)包括計算機技術(shù)，集成電路技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)及電子通訊技術(shù)。電子技術(shù)和傳感器與機械裝置經(jīng)結(jié)合，實現(xiàn)了工程機械的自動監(jiān)測和自動控制，即機—電—信一體化。電子傳感器是機電信一體的感覺器官，是機器與其作業(yè)對象之間的媒介。以微機為核心的電子技術(shù)是機電信一體化的大腦和中樞神經(jīng)，它接受傳感器送入的各種信息，在進行運算處理之后對機器的執(zhí)行部分發(fā)出指令。
　　機電信一體化在工程機械上的推廣應(yīng)用，主要是為了節(jié)約能源、簡化操縱程序，提高生產(chǎn)效率、作業(yè)質(zhì)量和機器的工作可靠性，以用滿足日益嚴格的環(huán)保要求，最早是德國的Bosch公司，美國的GM公司、Ford公司和日本的電裝公司等先后推出了各種電子控制燃油噴射及電子點火系統(tǒng)，隨后在工程機械的其它系統(tǒng)中也采用了機電一體化技術(shù)。20世紀90年代以來，美國、德國和日本等工業(yè)發(fā)達國家推出的工程機械新產(chǎn)品，有70%以上都程度不同地配置了電子控制系統(tǒng)，例如發(fā)動機的最佳功率輸出自動控制、工程起重機的快速循環(huán)伸縮自動控制、路面銑刨機轉(zhuǎn)子工作與驅(qū)動行走的動力分配自動控制、振動壓路機的自動變幅控制、攤鋪機的輸分料自動控制與慰平板自動找平控制，還有機器故障報警電子控制與輔助操縱電子控制等等。
　　發(fā)動機的電子控制是通過機器負荷傳感器與集成化電子系統(tǒng)自動控制其功率輸出及實現(xiàn)與液壓系統(tǒng)的最佳匹配，從而茯得最高的生產(chǎn)效率和最低的燃油消耗。此種系統(tǒng)應(yīng)用在裝載機上，可以使燃油消耗量降低20%，發(fā)動機的非工作磨損及技術(shù)保養(yǎng)工作量減少，并且能夠凈化廢氣排放。故障報警電子 控制能使機器在出現(xiàn)故障或超載時立即發(fā)出警示，有的還可以在屏幕上顯示故障的部位，并提出故障的排除方法。輔助操縱電子控制可以彌補司機的不熟練操作，如機器行走的平穩(wěn)起步與平穩(wěn)停車，振動壓路機的自動起振、自動停振與自動灑水以及限定機器工作裝置的最大負荷，最大回轉(zhuǎn)角度與最大延伸距離等。
　　8、人工智能創(chuàng)新：靈性機器與機器人化
　　工程機械在工程建設(shè)領(lǐng)域代替了人的體力勞動，擴展了人的手腳功能，但傳統(tǒng)機械還未能解決好人的體力和生理負擔問題，更不要說解脫人的精神和心理負擔了?，F(xiàn)代化工程機械應(yīng)該是賦予了其靈性，有靈性的工程機械是有思維頭腦（微電腦）、感覺器官（傳感器）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（電子傳輸）、五臟六腑（動力與傳動）及手足骨骼（工作機構(gòu)與行走裝置）的機電信一體化系統(tǒng)。
　　機電信一體化并非機電與信息技術(shù)的簡單結(jié)合，它所構(gòu)成的系統(tǒng)必須具備5項功能：①具有檢測和識別工作對象與工作條件的功能；②具有根據(jù)工作目標自行作出決策的功能；③具有響應(yīng)決策、執(zhí)行支動作的功能；④具有自動監(jiān)測工作過程與自我修正的功能；⑤具有自z身安全保護和故障排除功能。這也就是工程機械智能化的一些具體目標。
　　在工程機械的智能化過程中，自始至終充滿著自學習技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)的運用。現(xiàn)在機電信一體化技術(shù)實現(xiàn)了對發(fā)動機、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的全面控制，機器正在被賦予各種感覺與智慧。在工藝過程與工作狀態(tài)實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，工程機械將從局部自動化過渡到全面自動化，并且向著遠距離操縱和無人駕駛的趨勢發(fā)展。隨著人工智能的介入，工程機械將加快快其現(xiàn)代進程，使逐步過渡到完全智慧化的作業(yè)機器人目標。到那時，一些新的機器人化作業(yè)程序就會應(yīng)運而生。

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