评说现代工程机械行业的八大技术进步

从20世纪80年代到本世纪初，国外工程机械产品技术已从一个成熟期走到了现代化时期。伴随着一场新的技术革命，工程机械产品的综合技术水平跃上了一个新的台阶。电子技术、微电脑、传感器、电液伺服与控制系统集成化改造了传统的工程机械产品，计算机辅助设计、辅助制造及辅助管理装备了工程机械制造业，IT网络技术也装备了工程机械的销售与信息传递系统，从而让人们看到了一个全新的工程机械行业。新的工程机械产品在工作效率、作业质量、环境保护、操作性能及自动化程度诸方面都是以往所不可比拟的，并且在向着进一步的智能化和机器人化方向迈进。

1　作业原理创新：新法破土与高频振动

　　随着科学技术研究水平的不断发展，工程机械的作业理论也在不断地创新。工程机械的作业原理包括对土石方的切割、破碎、回填，对土工材料的筛分、混合与加热，对混合料的摊铺、找平与压实等。这些作业理论原先是以仿生学与牛顿力学为基础的，而近现代科学的发展为工程机械作业原理的创新奠定了基础。例如机械振动、脉冲、射流、光电效应及热物理学的应用，为工程机械节省资源、改善施工质量、提高生产效率、工作可靠性、驾驶舒适性与自动化程度创造了条件。

　　挖掘机、推土机、装载机等土方工程机械切割破土，现在有了无斗铣切法、高频振动法、液气射流法及微孔破土法。使用新的破土作业原理改造的铲斗、松土器可以开挖高强度的岩土，在一般情况下都可以降低单位土方费用与提高生产效率，并且在靠近建筑物挖土时可代替钻孔-爆破法施工。

　　振动压路机是利用机械振动而又要达成“振地不振人”作业效果的最有力说明。高频振动压实技术的应用是近代动力学在工程机械上的重要科研成果，在振动压路机上同时应用了振动与隔振理论。20世纪90年代以来，出现了水平振动（振荡）与垂直振动的定向振动压实方法，以及无级调幅振动和不同于简谐振动的混沌振动等振动压实作业原理，并且形成了相应系列的振动压路机。冲击式压路机打破了原有传统的圆柱形滚轮结构，使用具有3～5个边的多边形压滚由牵引车拖行，以每秒2～3次顺序地冲击地面。这种剧烈冲击具有地震波的传播特性，其压实深度随碾压遍数而递增，在5m深处的压实度可达90%～92%。冲击压路机具有静压冲击、振动捣实与揉搓的综合作用，适合大型填方、塌陷性土壤和干砂填筑工程的压实。

　　沥青混凝土摊铺机熨平工作装置更是工程机械作业原理创新的典型例子。熨平板使用柴油、液化气或电加热和72Hz的高频振动，并采用红外线、激光或超声波找平，是多学科高新技术的应用。这其中的找平技术也可以应用到平地机上，作为地平或坡面的精细找平。

　　高频率机械振动还通常用于凿岩、石料破碎与筛分及沉拔桩等工程施工。石料的烘干可以使用柴油、重油和煤粉多种燃料的燃烧器，沥青的脱桶、加热及沥青混合料的搅拌与保温过程中都充分运用了热物理学原理。沥青的乳化与改性都是一些化学物理反应的具体应用。

2　传动方式创新：普及液压与电气传动

　　液压传动在20世纪60年代开始应用到了压路机上，只十多年的时间就得到了推广和普及。现在压路机的行走、振动、转向及制动等系统已实现了全液压传动。液压传动大大简化了压路机传动与操纵系统的设计，液压传动平稳、操纵方便省力、容易实现无级调速和自动控制，从总体上提高了压路机的生产效率与压实质量。现在国外市场上已经很少见到机械传动的压路机了。

　　静液压传动技术于70年代开始应用到了推土机上，并且很快推广到了一些中小型推土机和装载机上，美国约翰·迪尔公司、卡特彼勒公司、德国利渤海尔公司及日本小松制作所都生产和销售全液压推土机与装载机。静液压传动不使用液力变矩器，还省去了离合器与行车制动器及部分机械传动机构，能利用安全阀对机械和液压系统实现过载保护，并以较小的牵引功率发挥最大的牵引力，其剩余的功率可用在机器的辅助操作上。
　德国的德马克公司和利渤海尔公司分别于1954年和1955年率先开发了全液压挖掘机，但静液压传动在挖掘机上大量的推广应用也是在70年代。自80年代初以来，挖掘机从大到小正逐步实现了驱动行走、回转与挖掘的全液压化。在国际市场上的挖掘机，已全部淘汰了各种机械传动机构。

　　诞生历史比较晚的路面机械更是以全液压传动为主，如摊铺机、稳定土拌和机、路面铣刨机等，液压传动的平稳性有助于提高路面的铺筑质量。在凿岩台车和凿岩钻机上，液压传动已取代了以往的气动。现代轮式起重机和桩工机械也在向全液压化的方向发展。

　　电力在工业生产中的应用虽然已有很长的历史了，但在移动式机械上使用尚不多见。这首先是因为电动机的能容量小，一台电动机与同功率的液压马达相比，其重量和体积要大好多倍，这给机器的空间布置带来了很大困难。另外，电气传动的效率比较低，而消耗有色金属量大。但电气传动能很好地实现无级调速、电气制动和功率分流，电传动更方便和易于自动化，并且有利于环境保护。目前电传动主要用于大型矿车、大型挖掘机和大型装载机上，以发动机-发电机-电动车轮传递行驶动力。德国福格勒公司还试制了电传动的沥青摊铺机，该机的所有回转系统都用电马达带动，只有料斗开合与熨平板找平油缸仍使用液压传动。另外就是在作业区域移动较小的采矿工地上，使用了电力拖动的大型挖掘机和装载机，这种电力拖动使用电缆传输动力而不必在机器上安装发动机。

3　人机工程创新：以人为本与简化操作

　　20世纪80年代以来，世界上许多大的工程机械制造公司都投入很大的人力和资金促进现代设计方法学的研究和应用。人机工程学是“以人为本”的设计思想，注重机器与人的相互协调，提高人机安全性、驾驶舒适性，方便于司机操作和技术保养，这样既改善了司机的工作条件，又提高了生产效率，有的国家对工程机械的振动、噪声、废气排放和防翻滚与落物制定了新的标准，甚至付诸法律。

　　现在各类工程机械都设计有防翻滚和落物保护装置，以保护司机的人身安全，并且都是与驾驶室分别设计和安装。驾驶室内有足够的人体活动空间和开阔的视野，并采取必要的密封、减振、降噪和控温措施。室内的座椅、操纵杆件、仪表与监视器都按人机工程学布置，并且尽量减少操纵部位与操纵力。为了减轻司机的疲劳，选用悬浮式减振座椅，并研制了气-液悬挂系统的驾驶室底板。

　　电子技术在工程机械上的应用，大大简化了司机的操作程序和提高了机器的技术性能。利用电子控制可以自动选择机器的作业模式，例如挖掘机的3种作业模式—动臂优先、回转优先和微调整，串联振动压路机的3种作业模式—前轮单振动、后轮单振动和双轮全振动等。利用电子监测可以及时发现和排除机器系统的故障，例如发动机润滑油失压、风扇传动带断裂、液压油污染或过热和滤油器堵塞等，均能及时发出声响或灯光报警，利用电子传感器经微电脑处理可以自动检测机器的工作质量，如随机检测振动压路机的压实度，自动检测与调整沥青混合料的级配比例与出料温度等。

　　美国消音技术公司研制了一种电子消音器，通过电子仪器分析发动机排气噪声的波形结构，并产生一种与之相位差180°的干扰声波，这种“抗噪声”与发动机排气的噪声相抵消，从而达到消声的目的。这种电子消音器还可用于消除发动机的基本噪声和驾驶室内的噪声。通过消音和隔离的工程机械驾驶室内噪声可以降低到70dB(A)以下。

　　另外，通过集中润滑、自动润滑及故障自动报警，大大减少了工程机械的维修工作量。德莱赛公司装载机铰接轴的润滑周期可延长到2 000h，更换机油和滤清器的周期延长到250h；卡特彼勒公司装载机的日常检修时间缩短到3.45min，使用100h的技术保养时间也仅有6～7min。
4　外观造型创新：工业设计与环境协调

　　现代科学技术的高速发展，推动着社会的进步，给人类带来了高度的物质文明与精神文明。工业设计即是工业产品的造型设计，也称其为产品的艺术造型。机械产品的艺术造型应能体现其功能的合理性及外在质量的统一性，还应体现出产品的技术先进性和符合时代感的审美要求。

　　对于工程机械，有人说“货卖一张皮”，那是言过其实，但不重视造型设计肯定是不可取的。工程机械的造型设计可以使机器的形态与其结构、功能及使用要求相统一，并与人的生理及心理相协调。这种造型设计应包括各部的比例得当、形体流畅、色彩协调、仪表布置美观以及便于直观操作和有醒目的商标符号。现在世界各大公司都非常重视产品的工业设计，并且出现了专门的研究和设计机构。

　　居世界领先地位的压实机械制造商—宝马公司，其第三代压实机械的机器造型由工业设计专家Louis.L.lepoix设计，产生了良好的综合效果。该系列压路机的所有发动机护罩均可借助空气弹簧打开，拆装更换滤清器、传动件、软管及日常保养都很方便。采用圆弧形的现代驾驶室和大倾角的发动机罩做外观造型，使新驾驶室的活动空间增加了3０%，视野开阔、线条流畅，具有时代气息。驾驶方向盘的高度与倾角可调，选用舒适的高靠背可调减振座椅，给驾驶员准备了良好的操作环境。仪器仪表盘设计合理，易于观察和控制，发动机罩的倾斜给驾驶员提供了良好的视角。液压转向器转移到了驾驶室外，以减少驾驶室内的发热与噪声。圆弧形的挡风玻璃和驾驶室的四个外支承可隔离噪声与振动，使室内的噪声低于70dB(A)。

　　其它的许多工程机械也都不同程度地注重了工业设计，例如零部件布置尽量下移，以降低整机重心；适当地扩大支承面积，以增加机器的稳定度；左右布置尽量对称，以符合人的美感；去掉一些外观造型的尖角、棱边，以显示线条的流畅等。工程机械的油漆更是其工业设计的重要内容，整机的色调应能引人注意，增加作业环境的安全，并与野外施工现场的绿树田野相映衬、协调，使用套色的水平腰线和增加下车的色彩浓度可以增加机器的视觉稳定性等。

5　设计方法创新：电脑应用与模块设计

　　现代设计方法在工程机械上的应用近20年来获得了突飞猛进的发展，并开发成功了大量新机种。这些机种包括路面施工与养护机械、地下施工机械、环境保护机械、高空作业机械及土壤改良机械等。

　　现代设计方法与传统设计方法最大的不同是普及应用了电子计算机。以往一种新机型需要多次反复试制、试验和修改才能定型，一般需要几年的时间。在计算机上，新产品设计可采用三维数字化建模，利用专业CAD软件进行基础零部件优化选择与分析计算，直到生成工程图和进行三维虚拟装配及模拟试验。

　　现代设计方法包括的面很广，如相似设计、模块化设计、动态分析、优化设计及人机工程与工业造型的应用等，体现在机器形体上最明显的是模块化设计。

　　模块化设计包括了以往所说的部件化、通用化及设计过程中的软件模块化。部件化是将机器的每一个部件都设计成结构完善的独立单元，简化相邻部件之间的连接，以便于安装与调整，便于存放与运输，便于维修与保养，而且也便于社会化生产。通用化是选用相应的部件单元做不同的连接拼装可以组成不同技术性能的机器，这样可以增加部件的生产批量，从而降低整机的制造成本。设计软件的模块化大大加快了新产品的设计开发进度。

　　对一般的行走式工程机械，其发动机、液压件、传动件、回转机构及电脑控制板等都是相对独立设计或选用。机器的工作装置可以设计成典型结构，机器的传动系统、液压系统、电气系统等可以分解成不同的设计单元，例如传动系统分解成变速器、联轴器、离合器、制动器、驱动桥、行走装置等，液压系统分解成闭式传动、开式传动、多路阀系统等。对于典型工作机构及系统单元也可以按整机的技术性能做不同的组合，或者按机器规格的大小作相似设计。
　　对于固定式安装的大型工程机组，如石料破碎与筛分联合设备，各种混合料搅拌设备及盾构设备等，其机械结构复杂，迁移运输困难，涉及的知识领域广泛，模块化设计就更显必要。

6　制造过程创新：虚拟制造与并行工程

　　现代化的信息技术与全球经济一体化，为机器制造业的虚拟化制造创立了条件。在工程机械的各大跨国公司中，一个明显的趋势是制造商集中力量做好开发研究和设备组装，公司不再制造零部件，而把难题推给零部件供应商去做。产品主机制造商与零部件供应商及科研开发机构相互协作，发挥各方的主创精神，共同研制和生产适销对路的产品，大家共生共荣。现在没有那一家工程机械制造商能单独依靠自身力量完成一种主机产品的全部生产过程，而是各方分工合作，这就像一个“虚拟化”的大企业。虚拟企业是一个没有围墙、超越空间、依靠网络联系和统一指挥的临时合作经济实体。

　　虚拟化制造要以模块化设计为基础，并且是一种设计与制造过程中的并行工程。主机制造商在开发的初期做好市场论证和总体结构方案，将各个配套件分解给供应商，由其根据总体方案的要求自行设计与生产制造。在整个开发过程中，要由主机制造商进行协调，协调的内容包括技术要求、成本控制、相互衔接及生产进度等，这样可以大大加快新产品的开发进度，对市场需求做出更灵敏的响应。

　　并行工程的目标是通过新产品开发各阶段的工作同时并行，以加速开发过程。产品开发过程包括4个阶段：①设计—形成总体装配和零部件图；②造型—制作非功能性模型；③试制—制造与试验样机的功能性模型；④生产—批量试制并验证工艺装备。在并行工程中，这些工作要有机地安排成齐头并进，从而大大缩短了新产品的开发进程。

　　采用虚拟制造与并行工程的必要条件是计算机的普及应用。在计算机上利用CAD/CAE软件网络，不仅可以根据设计者的构思自动生成工程图形和实体模型，而且可以进行结构件强度分析和机构运动学分析，以及整机和零部件的参数优化和动态性能仿真试验等。设计的工程图形（零部件）通过数据库直接传输给工艺部门，就可以编制工艺路线和设计工装刀具，也可以通过CAM直接生成数控加工程序软件，很快就可在数控机床或加工中心上试制出样品。

　　普及应用虚拟制造与并行工程的企业，一种系列工程机械产品的开发周期可以缩短到了3个月以内，大大加强了其市场竞争实力。

7　控制方法创新：电子控制与信息集成

　　机器的大规模信息集成，诞生了机电信一体化。现代电子技术催生了工程机械的机电信一体化。电子技术包括计算机技术、集成电路技术、数字电路技术及电子通讯技术。电子技术和传感器与机械装置的结合，实现了工程机械的自动监测和自动控制，即机-电-信一体化。电子传感器是机电信一体的感觉器官，是机器与其作业对象之间的媒介；以微机为核心的电子技术是机电信一体化的大脑和中枢神经，它接受传感器送入的各种信息，在进行运算处理之后对机器的执行部分发出指令。

　　机电信一体化在工程机械上的推广应用，主要是为了节省能源、简化操纵程序，提高生产效率、作业质量和机器的工作可靠性，以及满足日益严格的环保要求，最早是德国的Bosch公司、美国的GM公司、Ford公司和日本的电装公司等先后推出了各种电子控制燃油喷射及电子点火系统，随后在工程机械的其它系统中也采用了机电信一体化技术。20世纪90年代以来，美国、德国和日本等工业发达国家推出的工程机械新产品，有70%以上都程度不同地配置了电子控制系统，例如发动机的最佳功率输出自动控制、工程起重机的快速循环伸缩自动控制、路面铣刨机转子工作与驱动行走的动力分配自动控制、振动压路机的自动变幅控制、轮胎驱动单轮振动压路机驱动轮的防滑转自动控制、摊铺机的输分料自动控制与熨平板自动找平控制，还有机器故障报警电子控制与辅助操纵电子控制等等。
　　发动机的电子控制是通过机器负荷传感器与集成化电子系统自动控制其功率输出及实现与液压系统的最佳匹配，从而获得最高的生产效率和最低的燃油消耗。此种系统应用在装载机上，可以使燃油消耗量降低20%，发动机的非工作磨损及技术保养工作量减少，并且能够净化废气排放。故障报警电子控制能使机器在出现故障或超载时立即发出警示，有的还可以在屏幕上显示故障的部位，并提出故障的排除方法。辅助操纵电子控制可以弥补司机的不熟练操作，如机器行走的平稳起步与平稳停车，振动压路机的自动起振、自动停振与自动洒水以及限定机器工作装置的最大负荷，最大回转角度与最大延伸距离等。

8　人工智能创新：灵性机器与机器人化

　　工程机械在工程建设领域代替了人的体力劳动，扩展了人的手脚功能，但传统机械还未能解决好人的体力和生理负担问题，更不要说解脱人的精神和心理负担了。现代化工程机械应该是赋予其灵性，有灵性的工程机械是有思维头脑（微电脑）、感觉器官（传感器）、神经网络（电子传输），五脏六腑（动力与传动）及手足骨骼（工作机构与行走装置）的机电信一体化系统。

　　机电信一体化并非机电与信息技术的简单结合，它所构成的系统必须具备5项功能：①具有检测和识别工作对象与工作条件的功能；②具有根据工作目标自行作出决策的功能；③具有响应决策、执行动作的伺服功能；④具有自动监测工作过程与自我修正的功能；⑤具有自z身安全保护和故障排除功能。这也就是工程机械智能化的一些具体目标。
　　在工程机械的智能化过程中，自始至终充满着自学习技术和自适应技术的运用。现在机电信一体化技术实现了对发动机、液压系统和电气系统的全面控制，机器正在被赋予各种感觉与智慧。在工艺过程与工作状态实时监测的基础上，工程机械将从局部自动化过渡到全面自动化，并且向着远距离操纵和无人驾驶的趋势发展。随着人工智能的介入，工程机械将加快其现代化进程，使逐步过渡到完全智能化的作业机器人目标。到那时，一些新的机器人化作业程序就会应运而生。