國外工程機械新技術(shù)新結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢（1）
王世明 楊為民 李天石（西安交通大學(xué)）
賈鴻社（中國一拖集團技術(shù)中心）
摘要：綜述了自90年代以來國外工程機械新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以輪式裝載機為例敘述了工程機械新結(jié)構(gòu)和發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上指出了我國與國外工程機械的主要差距和我們應(yīng)采取的對策。
關(guān)鍵詞：工程機械發(fā)展現(xiàn)狀對策
近年來，隨著建筑施工和資源開發(fā)規(guī)模的擴大，對工程機械需求量迅速增加，因而對其可靠性、維修性、安全性和燃油經(jīng)濟性也提出了更高的要求。隨著微電子技術(shù)向工程機械的滲透，現(xiàn)代推土機日益向智能化和機電一體化方向發(fā)展。自20世紀90年代以來，國外工程機械進入了一個新的發(fā)展時期，在廣泛應(yīng)用新技術(shù)的同時，不斷涌現(xiàn)出新結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品。繼完成提高整機可靠性任務(wù)之后，技術(shù)發(fā)展的重點在于增加產(chǎn)品的電子信息技術(shù)含量和智能化程度，努力完善產(chǎn)品的標準化、系列化和通用化，改善駕駛?cè)藛T的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。
1新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
11系列化、特大型化
系列化是工程機械發(fā)展的重要趨勢。國外著名大公司逐步實現(xiàn)其產(chǎn)品系列化進程，形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產(chǎn)品。與此同時，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期明顯縮短。所謂特大型工程機械，是指其裝備的發(fā)動機額定功率超過746kW(1 000HP)。它們主要用于大型露天礦山或大型水電工程工地。產(chǎn)品特點是科技含量高，研制與生產(chǎn)周期較長，投資大，市場容量有限，市場競爭主要集中在少數(shù)幾家公司。以裝載機為例，目前僅有馬拉松·勒圖爾勒、卡特彼勒和小松一德雷塞這三家公司能夠生產(chǎn)特大型裝載機。
12多用途、超小型化、微型化
為了全方位地滿足不同用戶的需求，國外工程機械在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進人多用途、超小型化、微型化發(fā)展階段。推動這一發(fā)展的因素首先源于液壓技術(shù)的發(fā)展——通過對液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計，使得工作裝置能夠完成多種作業(yè)功能；其次，快速可更換連接裝置的誕生——安裝在工作裝置上的液壓快速可更換連接器，能在作業(yè)現(xiàn)場完成各種附屬作業(yè)裝置的快速裝卸及液壓軟管的自動連接，使得更換附屬作業(yè)裝置的工作在司機室通過操縱手柄即可快速完成。一方面，工作機械通用性的提高，可使用戶在不增加投資的前提下充分發(fā)揮設(shè)備本身的效能，能完成更多的工作；另一方面，為了盡可能地用機器作業(yè)替代人力勞動，提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)城市狹窄施工場所以及在貨棧、碼頭、倉庫、艙位、農(nóng)舍、建筑物層內(nèi)和地下工程作業(yè)環(huán)境的使用要求，小型及微型工程機械有了用武之地，并得到了較快的發(fā)展。為占領(lǐng)這一市場，各生產(chǎn)廠商都相繼推出了多用途、小型和微型工程機械。如卡特彼勒公司生產(chǎn)的汀系列綜合多用機、克拉克公司生產(chǎn)的“山貓”牌產(chǎn)品等。目前國際上推出微型工程機械的公司主要有：Komatsu、Case、Textron等公司。Caterpillar公司也成了國際微型工程機械的帶頭人，涉及的產(chǎn)品主要有：挖掘機、挖掘裝載機、振動壓路機、沖擊錘、高空作業(yè)車等，其中最小的挖掘機斗寬為200mm，車寬小于1m。
13多功能化
多功能化作業(yè)裝置改變了單一作業(yè)功能，多種作業(yè)已從中、大型工程機械應(yīng)用的局限中解脫出來，在小型和微型工程機械上也開始了應(yīng)用。如Caterpillar公司在926G型輪式裝載機基礎(chǔ)上開發(fā)出的IT62G就具有快速連接裝置，駕駛員可在駕駛室里完成更換不同作業(yè)裝置的動作：如更換鏟叉、抓斗、卸載斗、掃雷裝置、路面清掃裝置、破碎裝置等。
14微電子技術(shù)、信息技術(shù)的普及和應(yīng)用
利用GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS和GSM技術(shù)，卡特彼勒將其雄偉計劃命名為采礦鏟土運輸技術(shù)系統(tǒng)(METS)。METS包括多種多樣的技術(shù)產(chǎn)品，如無線電數(shù)據(jù)通信、機器監(jiān)測、診斷、工作與業(yè)務(wù)管理軟件和機器控制等裝置。METS由以下3部分組成：1)計算機輔助鏟土運輸系統(tǒng)(CAES)。包括機載計算、em級GPS微波定位和高速無線電通信3項技術(shù)。在運行中，機載系統(tǒng)通過無線電接收整個無線網(wǎng)絡(luò)中的鏟土運輸數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)或現(xiàn)場規(guī)劃數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都顯示在駕駛室內(nèi)的一個屏幕上，司機在駕駛室內(nèi)能直觀地了解機器的作業(yè)位置，并準確地判斷需要挖掘、回填或裝載的土方量。2)關(guān)鍵信息管理系統(tǒng)(VIMS)。VIMS系統(tǒng)監(jiān)測機器中極其關(guān)鍵的性能與作業(yè)參數(shù)，并且通過無線電將數(shù)據(jù)從該機器傳送到業(yè)主辦公室。業(yè)主可立即分析數(shù)據(jù)以便估量機器的當(dāng)前狀態(tài)，或加以收集和整理，以便顯示機器的作業(yè)趨勢。3)CAES office軟件。這種軟件與來自裝有CAES的機器的數(shù)據(jù)相結(jié)合，產(chǎn)生一個集成的現(xiàn)時作業(yè)模型，使業(yè)主能在接近實時條件下對現(xiàn)場或遠處監(jiān)控各種作業(yè)。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)與電子地圖、無線電通信網(wǎng)絡(luò)及計算機車輛管理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)車輛跟蹤和交通管理等許多功能，這些功能包括：利用GPS和電子地圖可以實時顯示出車輛的實際位置，并任意放大、縮小、還原、換圖；可以隨目標移動，使目標始終保持在屏幕上；還可實現(xiàn)多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤。利用該功能可對重要車輛進行跟蹤。完成施工工地信息的地貌高精度測量、多目標采集數(shù)據(jù)的事后回放、顯示記錄的功能。
沃爾沃建筑設(shè)備公司推出B系列自行式平地機操作環(huán)境的神經(jīng)中樞是Contronic監(jiān)控系統(tǒng)——VOLVO獨有的多功能系統(tǒng)。它可以使操作員了解該機所有功能的運行狀況，其中包括發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和溫度、燃料料位、地面速度、過濾器阻塞情況、差速器鎖緊／脫開，以及其它許多信息。Contronics不僅可以使操作員隨時了解其操作的平地機發(fā)生了什么情況，而且還儲存了所有的操作數(shù)據(jù)以供維修技術(shù)人員下載。得到這些信息后，技術(shù)人員使用VCADSPro(VOLVO計算機輔助診斷系統(tǒng)專家)訪問該數(shù)據(jù)，以便進行維修、診斷和性能分析。采用這套系統(tǒng)，操作員可以在零部件失效前采取措施，并在發(fā)生故障時診斷出故障的原因。這套系統(tǒng)的主要功能就是保持平地機處于最佳狀態(tài)，從而延長機器的使用壽命。
目前，卡特彼勒公司、模塊采礦系統(tǒng)公司、Leica和Trimble導(dǎo)航設(shè)備有限公司均可獨立提供基于GPS的推土機定位系統(tǒng)，大大提高推土機的作業(yè)生產(chǎn)率。
卡特彼勒的DOZSIM15是一種極易使用的計算機程序，可計算推土機的作業(yè)生產(chǎn)率。該軟件包與Windows兼容，采用3D模擬技術(shù)分析推土距離、坡度、工廠設(shè)計參數(shù)，并可輸出總土方量(壓實或松散)、每趟移走的土方量、每小時移走的土方量、每趟總耗時、每趟總成本、總系統(tǒng)生產(chǎn)率等大量信息。計算機精度高于CAD系統(tǒng)。
Leica采用GPS技術(shù)的Dozer2000導(dǎo)航系統(tǒng)，在無需勘察標樁的情況下，允許司機精確地控制推土機的推土板和機器的位置，實現(xiàn)虛擬推土作業(yè)。
模塊采礦系統(tǒng)公司的推土機定位系統(tǒng)有助于司機完成諸如坡度與推土任務(wù)。駕駛室內(nèi)安裝有圖像控制臺，向司機顯示機器在作業(yè)區(qū)內(nèi)的位置，并實時顯示關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)，如推土板角度或被移動的土方體積。
Trimble的產(chǎn)品是SiteVisionGPS，可實現(xiàn)坡度的精確控制，駕駛室內(nèi)可視化顯示系統(tǒng)指導(dǎo)司機精確作業(yè)，精度可達cm級。
15節(jié)能與環(huán)保
為提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和滿足日益苛刻的環(huán)保要求，國外工程機械公司主要從降低發(fā)動機排放、提高液壓系統(tǒng)效率和減振、降噪等方面人手。目前，卡特彼勒公司生產(chǎn)功率為15~150kW的柴油發(fā)動機。其中6缸、72L、自重588kg、功率為131~205kW的3126B型環(huán)保指標最好，滿足EPATierⅡ和EUStageⅡ排放標準。卡特彼勒3516B型發(fā)動機裝有電子噴射裝置及ADEM模塊，可提高22％的噴射壓力，便于燃油完全、高效燃燒，燃燒效率可提高5％，NOX下降40％，扭矩增加35％。個別廠家生產(chǎn)的工程機械產(chǎn)品，機外噪聲已降至72dB(A)。綠色環(huán)保型工程機械理念已經(jīng)顯露。人機工程學(xué)、無污染綠色施工等成為人們的共識。
近幾年來國外裝載機的設(shè)計和制造進一步體現(xiàn)了以人為本的理念，要為司機提供一個更加舒適的環(huán)境，以達到他們稱之為全自動化型的境地。根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計了座椅、操縱臺、環(huán)保型的低噪聲發(fā)動機，賞心悅目的流線型駕駛室。大中型裝載機駕駛室普遍采用翻車保護機構(gòu)(ROPS)和落物撞擊保護機構(gòu)(FOPS)，室內(nèi)安裝空調(diào)裝置；采用防塵、減振和隔音材料；按人機工程學(xué)設(shè)計的司機座椅可全方位調(diào)節(jié)，有的已達轎車座椅的舒適程度，座椅右側(cè)還設(shè)計有擺放飯盒、水瓶及其它物品的地方，司機臺上安裝AM／FM立體聲盒式磁帶收錄機，為司機安全作業(yè)提供音頻和視頻信號。有的還安裝網(wǎng)絡(luò)電話等，極大地提高了作業(yè)的舒適性。
16計算機管理及故障診斷、遠程監(jiān)控系統(tǒng)及整機智能化
以微電子、Internet為重要標志的信息時代，不斷研制出集液壓、微電子及信息技術(shù)于一體的智能系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于工程機械的產(chǎn)品設(shè)計之中，進一步提高了產(chǎn)品的性能及高科技含量。
工程機械集成化和操作與智能控制技術(shù)主要包括：電液控制自動換擋變速器技術(shù)、機電一體化控制技術(shù)、負荷傳感全功率控制技術(shù)和可編程控制與遙控及無人操作技術(shù)等。動力換擋變速器技術(shù)包括液壓式和電液式，負載傳感全功率控制是一個具有壓差的反饋伺服控制系統(tǒng)，對TQ160A型全液壓履帶式推土機采用了先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)，小松、卡特彼勒和神鋼采取了根據(jù)不同作業(yè)模式選擇不同油門開度和泵排量的分工況控制，還有的采用負荷傳感技術(shù)進行控制［3］，如Danfoss公司的PVG120負荷傳感型比例控制閥已經(jīng)成功應(yīng)用于某推土機的設(shè)計，提高了控制精度。此外，比例控制技術(shù)和伺服控制技術(shù)也在高精度工程機械控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制策略方面，有的學(xué)者對工作裝置的前饋控制的理論和必要性進行了研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制由于其對解決復(fù)雜系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢，被引人工程機械的工作裝置控制中，各種控制方法結(jié)合而成的新的控制策略也有成功應(yīng)用的例子。
例如，卡特彼勒公司90年代開發(fā)的F系列和G系列裝載機都安裝有電子計算機監(jiān)控系統(tǒng)(CMS)，用以取代E系列裝載機上安裝的電子監(jiān)控系統(tǒng)(EMS)。其司機臺上裝有條形液晶顯示屏，微機監(jiān)控系統(tǒng)具有能同時監(jiān)控發(fā)動機燃油液面高度、冷卻水溫、變速器油溫和液壓油溫等11種功能。該監(jiān)控系統(tǒng)還具有故障診斷能力，并可向司機提供三級報警。1998年推出的Cat950G計算機監(jiān)控系統(tǒng)還配備有Cat指導(dǎo)診斷系統(tǒng)和以維修工具為基礎(chǔ)的Cat軟件包，使維修人員坐在汽車里用筆記本電腦就能迅速而容易地診斷和排除故障。Cat992G在監(jiān)控裝載機各功能狀況并作出診斷的同時還能把這些信息數(shù)據(jù)作為履歷記錄下來，無線傳送到辦公室用計算機進行分析，從而將電氣、機械故障防患于未然。Cat994D安裝了關(guān)鍵信息管理系統(tǒng)(VIMS)，可密切監(jiān)視機器的運行狀態(tài)并診斷故障。LeToumeau集成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過顯示在機載計算機屏幕的出錯信息，提示司機出錯原因，并采用三級報警燈光信號(藍、淡黃、紅)表示發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、電氣和電子系統(tǒng)的各種狀態(tài)。目前，該系統(tǒng)已安裝在L1350型礦用裝載機上。
沃爾沃(Volvo)公司的L系列裝載機上也安裝有Matris軟件包，用以監(jiān)控和分析裝載機的工作狀態(tài)；其小型裝載機上配有電子伺服控制及信息系統(tǒng)(ESIS)，由液晶顯示屏和鍵盤組成，用來顯示和記錄各種信息，其自動診斷功能記錄機器故障并儲存所有相關(guān)信息，通過編碼可以防盜。
凱斯(Case)公司21B、C系列裝載機也采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，其微處理器安裝在司機座椅的右側(cè)，也具有故障診斷和工作狀態(tài)液晶顯示功能。
推土機上采用電子監(jiān)測系統(tǒng)(EMS)和電子復(fù)合控制裝置(即履帶打滑控制系統(tǒng))，逐步實現(xiàn)機電一體化。EMS可嚴密控制機器各主要功能的變化，了解故障發(fā)生的部位，防止司機誤操作，保證作業(yè)安全。電子復(fù)合控制裝置可把履帶滑移量控制到最低限度，提高履帶行走裝置的壽命，降低油耗，提高生產(chǎn)率。裝載機上采用計算機控制的發(fā)動機管理系統(tǒng)，發(fā)動機的輸出功率可根據(jù)載荷的要求調(diào)節(jié)，減少動力損失，節(jié)約燃料，提高發(fā)動機壽命。另外，裝載機上可安裝電控式或微機控制的自動換擋變速器，以及電子稱量、電子消聲器、計算機監(jiān)控等裝置，簡化操作，確保安全。鏟運機上采用微機處理機控制變矩器、變速器，代替純液壓控制，使操作更輕便。應(yīng)用激光技術(shù)使鏟運機平整場地作業(yè)精度更高。另外又在開發(fā)電子控制的短軸距平地機。
17優(yōu)秀的設(shè)計
優(yōu)秀的設(shè)計是延長機械使用壽命的首要環(huán)節(jié)。日本提出“設(shè)計立業(yè)”，遂使日本產(chǎn)品經(jīng)久耐用，行銷全球。日本新卡特彼勒一三菱公司運用負荷分析方法，準確地進行了推土機等在施工現(xiàn)場的受力部件的應(yīng)力分析，提出了延長機件壽命的設(shè)計(長壽設(shè)計)，即降低面壓(機件表面的接觸應(yīng)力)，如用螺旋齒代替漸開線齒輪，使重迭系數(shù)增大；分散負荷，如采用三角形履帶行走系代替常見的履帶行走系，將驅(qū)動輪從常規(guī)的觸地式移至三角形頂部，與地面脫離接觸，使驅(qū)動輪承受的沖擊負荷、作業(yè)負荷大幅度減小；為減少熱量，采用濕式離合器、濕式制動器等，以減少摩擦熱。設(shè)計時努力改善機械的維修性是延長壽命的有力措施。此外曲面造型技術(shù)在工程機械產(chǎn)品設(shè)計中也得到了廣泛應(yīng)用。