評說現代工程機械行業的八大技術進步

從20世紀80年代到本世紀初，國外工程機械產品技術已從一個成熟期走到了現代化時期。伴隨著一場新的技術革命，工程機械產品的綜合技術水平躍上了一個新的臺階。電子技術、微電腦、傳感器、電液伺服與控制系統集成化改造了傳統的工程機械產品，計算機輔助設計、輔助制造及輔助管理裝備了工程機械制造業，IT網絡技術也裝備了工程機械的銷售與信息傳遞系統，從而讓人們看到了一個全新的工程機械行業。新的工程機械產品在工作效率、作業質量、環境保護、操作性能及自動化程度諸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　作業原理創新：新法破土與高頻振動

　　隨著科學技術研究水平的不斷發展，工程機械的作業理論也在不斷地創新。工程機械的作業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。這些作業理論原先是以仿生學與牛頓力學為基礎的，而近現代科學的發展為工程機械作業原理的創新奠定了基礎。例如機械振動、脈沖、射流、光電效應及熱物理學的應用，為工程機械節省資源、改善施工質量、提高生產效率、工作可靠性、駕駛舒適性與自動化程度創造了條件。

　　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”作業效果的最有力說明。高頻振動壓實技術的應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用了振動與隔振理論。20世紀90年代以來，出現了水平振動（振蕩）與垂直振動的定向振動壓實方法，以及無級調幅振動和不同于簡諧振動的混沌振動等振動壓實作業原理，并且形成了相應系列的振動壓路機。沖擊式壓路機打破了原有傳統的圓柱形滾輪結構，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、塌陷性土壤和干砂填筑工程的壓實。

　　瀝青混凝土攤鋪機熨平工作裝置更是工程機械作業原理創新的典型例子。熨平板使用柴油、液化氣或電加熱和72Hz的高頻振動，并采用紅外線、激光或超聲波找平，是多學科高新技術的應用。這其中的找平技術也可以應用到平地機上，作為地平或坡面的精細找平。

　　高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的具體應用。

2　傳動方式創新：普及液壓與電氣傳動

　　液壓傳動在20世紀60年代開始應用到了壓路機上，只十多年的時間就得到了推廣和普及�，F在壓路機的行走、振動、轉向及制動等系統已實現了全液壓傳動。液壓傳動大大簡化了壓路機傳動與操縱系統的設計，液壓傳動平穩、操縱方便省力、容易實現無級調速和自動控制，從總體上提高了壓路機的生產效率與壓實質量�，F在國外市場上已經很少見到機械傳動的壓路機了。

　　靜液壓傳動技術于70年代開始應用到了推土機上，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和銷售全液壓推土機與裝載機。靜液壓傳動不使用液力變矩器，還省去了離合器與行車制動器及部分機械傳動機構，能利用安全閥對機械和液壓系統實現過載保護，并以較小的牽引功率發揮最大的牽引力，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分別于1954年和1955年率先開發了全液壓挖掘機，但靜液壓傳動在挖掘機上大量的推廣應用也是在70年代。自80年代初以來，挖掘機從大到小正逐步實現了驅動行走、回轉與挖掘的全液壓化。在國際市場上的挖掘機，已全部淘汰了各種機械傳動機構。

　　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、穩定土拌和機、路面銑刨機等，液壓傳動的平穩性有助于提高路面的鋪筑質量。在鑿巖臺車和鑿巖鉆機上，液壓傳動已取代了以往的氣動�，F代輪式起重機和樁工機械也在向全液壓化的方向發展。

　　電力在工業生產中的應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，電氣傳動的效率比較低，而消耗有色金屬量大。但電氣傳動能很好地實現無級調速、電氣制動和功率分流，電傳動更方便和易于自動化，并且有利于環境保護。目前電傳動主要用于大型礦車、大型挖掘機和大型裝載機上，以發動機-發電機-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，該機的所有回轉系統都用電馬達帶動，只有料斗開合與熨平板找平油缸仍使用液壓傳動。另外就是在作業區域移動較小的采礦工地上，使用了電力拖動的大型挖掘機和裝載機，這種電力拖動使用電纜傳輸動力而不必在機器上安裝發動機。

3　人機工程創新：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代設計方法學的研究和應用。人機工程學是“以人為本”的設計思想，注重機器與人的相互協調，提高人機安全性、駕駛舒適性，方便于司機操作和技術保養，這樣既改善了司機的工作條件，又提高了生產效率，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。

　　現在各類工程機械都設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計和安裝。駕駛室內有足夠的人體活動空間和開闊的視野，并采取必要的密封、減振、降噪和控溫措施。室內的座椅、操縱桿件、儀表與監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-液懸掛系統的駕駛室底板。

　　電子技術在工程機械上的應用，大大簡化了司機的操作程序和提高了機器的技術性能。利用電子控制可以自動選擇機器的作業模式，例如挖掘機的3種作業模式—動臂優先、回轉優先和微調整，串聯振動壓路機的3種作業模式—前輪單振動、后輪單振動和雙輪全振動等。利用電子監測可以及時發現和排除機器系統的故障，例如發動機潤滑油失壓、風扇傳動帶斷裂、液壓油污染或過熱和濾油器堵塞等，均能及時發出聲響或燈光報警，利用電子傳感器經微電腦處理可以自動檢測機器的工作質量，如隨機檢測振動壓路機的壓實度，自動檢測與調整瀝青混合料的級配比例與出料溫度等。

　　美國消音技術公司研制了一種電子消音器，通過電子儀器分析發動機排氣噪聲的波形結構，并產生一種與之相位差180°的干擾聲波，這種“抗噪聲”與發動機排氣的噪聲相抵消，從而達到消聲的目的。這種電子消音器還可用于消除發動機的基本噪聲和駕駛室內的噪聲。通過消音和隔離的工程機械駕駛室內噪聲可以降低到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2 000h，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的技術保養時間也僅有6～7min。
4　外觀造型創新：工業設計與環境協調

　　現代科學技術的高速發展，推動著社會的進步，給人類帶來了高度的物質文明與精神文明。工業設計即是工業產品的造型設計，也稱其為產品的藝術造型。機械產品的藝術造型應能體現其功能的合理性及外在質量的統一性，還應體現出產品的技術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，但不重視造型設計肯定是不可取的。工程機械的造型設計可以使機器的形態與其結構、功能及使用要求相統一，并與人的生理及心理相協調。這種造型設計應包括各部的比例得當、形體流暢、色彩協調、儀表布置美觀以及便于直觀操作和有醒目的商標符號。現在世界各大公司都非常重視產品的工業設計，并且出現了專門的研究和設計機構。

　　居世界領先地位的壓實機械制造商—寶馬公司，其第三代壓實機械的機器造型由工業設計專家Louis.L.lepoix設計，產生了良好的綜合效果。該系列壓路機的所有發動機護罩均可借助空氣彈簧打開，拆裝更換濾清器、傳動件、軟管及日常保養都很方便。采用圓弧形的現代駕駛室和大傾角的發動機罩做外觀造型，使新駕駛室的活動空間增加了3０%，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，選用舒適的高靠背可調減振座椅，給駕駛員準備了良好的操作環境。儀器儀表盤設計合理，易于觀察和控制，發動機罩的傾斜給駕駛員提供了良好的視角。液壓轉向器轉移到了駕駛室外，以減少駕駛室內的發熱與噪聲。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，使室內的噪聲低于70dB(A)。

　　其它的許多工程機械也都不同程度地注重了工業設計，例如零部件布置盡量下移，以降低整機重心；適當地擴大支承面積，以增加機器的穩定度；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設計的重要內容，整機的色調應能引人注意，增加作業環境的安全，并與野外施工現場的綠樹田野相映襯、協調，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定性等。

5　設計方法創新：電腦應用與模塊設計

　　現代設計方法在工程機械上的應用近20年來獲得了突飛猛進的發展，并開發成功了大量新機種。這些機種包括路面施工與養護機械、地下施工機械、環境保護機械、高空作業機械及土壤改良機械等。

　　現代設計方法與傳統設計方法最大的不同是普及應用了電子計算機。以往一種新機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，新產品設計可采用三維數字化建模，利用專業CAD軟件進行基礎零部件優化選擇與分析計算，直到生成工程圖和進行三維虛擬裝配及模擬試驗。

　　現代設計方法包括的面很廣，如相似設計、模塊化設計、動態分析、優化設計及人機工程與工業造型的應用等，體現在機器形體上最明顯的是模塊化設計。

　　模塊化設計包括了以往所說的部件化、通用化及設計過程中的軟件模塊化。部件化是將機器的每一個部件都設計成結構完善的獨立單元，簡化相鄰部件之間的連接，以便于安裝與調整，便于存放與運輸，便于維修與保養，而且也便于社會化生產。通用化是選用相應的部件單元做不同的連接拼裝可以組成不同技術性能的機器，這樣可以增加部件的生產批量，從而降低整機的制造成本。設計軟件的模塊化大大加快了新產品的設計開發進度。

　　對一般的行走式工程機械，其發動機、液壓件、傳動件、回轉機構及電腦控制板等都是相對獨立設計或選用。機器的工作裝置可以設計成典型結構，機器的傳動系統、液壓系統、電氣系統等可以分解成不同的設計單元，例如傳動系統分解成變速器、聯軸器、離合器、制動器、驅動橋、行走裝置等，液壓系統分解成閉式傳動、開式傳動、多路閥系統等。對于典型工作機構及系統單元也可以按整機的技術性能做不同的組合，或者按機器規格的大小作相似設計。
　　對于固定式安裝的大型工程機組，如石料破碎與篩分聯合設備，各種混合料攪拌設備及盾構設備等，其機械結構復雜，遷移運輸困難，涉及的知識領域廣泛，模塊化設計就更顯必要。

6　制造過程創新：虛擬制造與并行工程

　　現代化的信息技術與全球經濟一體化，為機器制造業的虛擬化制造創立了條件。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研究和設備組裝，公司不再制造零部件，而把難題推給零部件供應商去做。產品主機制造商與零部件供應商及科研開發機構相互協作，發揮各方的主創精神，共同研制和生產適銷對路的產品，大家共生共榮�，F在沒有那一家工程機械制造商能單獨依靠自身力量完成一種主機產品的全部生產過程，而是各方分工合作，這就像一個“虛擬化”的大企業。虛擬企業是一個沒有圍墻、超越空間、依靠網絡聯系和統一指揮的臨時合作經濟實體。

　　虛擬化制造要以模塊化設計為基礎，并且是一種設計與制造過程中的并行工程。主機制造商在開發的初期做好市場論證和總體結構方案，將各個配套件分解給供應商，由其根據總體方案的要求自行設計與生產制造。在整個開發過程中，要由主機制造商進行協調，協調的內容包括技術要求、成本控制、相互銜接及生產進度等，這樣可以大大加快新產品的開發進度，對市場需求做出更靈敏的響應。

　　并行工程的目標是通過新產品開發各階段的工作同時并行，以加速開發過程。產品開發過程包括4個階段：①設計—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—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品的開發進程。

　　采用虛擬制造與并行工程的必要條件是計算機的普及應用。在計算機上利用CAD/CAE軟件網絡，不僅可以根據設計者的構思自動生成工程圖形和實體模型，而且可以進行結構件強度分析和機構運動學分析，以及整機和零部件的參數優化和動態性能仿真試驗等。設計的工程圖形（零部件）通過數據庫直接傳輸給工藝部門，就可以編制工藝路線和設計工裝刀具，也可以通過CAM直接生成數控加工程序軟件，很快就可在數控機床或加工中心上試制出樣品。

　　普及應用虛擬制造與并行工程的企業，一種系列工程機械產品的開發周期可以縮短到了3個月以內，大大加強了其市場競爭實力。

7　控制方法創新：電子控制與信息集成

　　機器的大規模信息集成，誕生了機電信一體化�，F代電子技術催生了工程機械的機電信一體化。電子技術包括計算機技術、集成電路技術、數字電路技術及電子通訊技術。電子技術和傳感器與機械裝置的結合，實現了工程機械的自動監測和自動控制，即機-電-信一體化。電子傳感器是機電信一體的感覺器官，是機器與其作業對象之間的媒介；以微機為核心的電子技術是機電信一體化的大腦和中樞神經，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行部分發出指令。

　　機電信一體化在工程機械上的推廣應用，主要是為了節省能源、簡化操縱程序，提高生產效率、作業質量和機器的工作可靠性，以及滿足日益嚴格的環保要求，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，隨后在工程機械的其它系統中也采用了機電信一體化技術。20世紀90年代以來，美國、德國和日本等工業發達國家推出的工程機械新產品，有70%以上都程度不同地配置了電子控制系統，例如發動機的最佳功率輸出自動控制、工程起重機的快速循環伸縮自動控制、路面銑刨機轉子工作與驅動行走的動力分配自動控制、振動壓路機的自動變幅控制、輪胎驅動單輪振動壓路機驅動輪的防滑轉自動控制、攤鋪機的輸分料自動控制與熨平板自動找平控制，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自動控制其功率輸出及實現與液壓系統的最佳匹配，從而獲得最高的生產效率和最低的燃油消耗。此種系統應用在裝載機上，可以使燃油消耗量降低20%，發動機的非工作磨損及技術保養工作量減少，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故障或超載時立即發出警示，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，如機器行走的平穩起步與平穩停車，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，最大回轉角度與最大延伸距離等。

8　人工智能創新：靈性機器與機器人化

　　工程機械在工程建設領域代替了人的體力勞動，擴展了人的手腳功能，但傳統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代化工程機械應該是賦予其靈性，有靈性的工程機械是有思維頭腦（微電腦）、感覺器官（傳感器）、神經網絡（電子傳輸），五臟六腑（動力與傳動）及手足骨骼（工作機構與行走裝置）的機電信一體化系統。

　　機電信一體化并非機電與信息技術的簡單結合，它所構成的系統必須具備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具有根據工作目標自行作出決策的功能；③具有響應決策、執行動作的伺服功能；④具有自動監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和自適應技術的運用。現在機電信一體化技術實現了對發動機、液壓系統和電氣系統的全面控制，機器正在被賦予各種感覺與智慧。在工藝過程與工作狀態實時監測的基礎上，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展。隨著人工智能的介入，工程機械將加快其現代化進程，使逐步過渡到完全智能化的作業機器人目標。到那時，一些新的機器人化作業程序就會應運而生。