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(tuán)技術(shù)中心）
摘要：綜述了自90年代以來國外工程機(jī)械新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以輪式裝載機(jī)為例敘述了工程機(jī)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(jī)械的主要差距和我們應(yīng)采取的對策。
關(guān)鍵詞：工程機(jī)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(kuò)大，對工程機(jī)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(jì)性也提出了更高的要求。隨著微電子技術(shù)向工程機(jī)械的滲透，現(xiàn)代推土機(jī)日益向智能化和機(jī)電一體化方向發(fā)展。自20世紀(jì)90年代以來，國外工程機(jī)械進(jìn)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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
11系列化、特大型化
系列化是工程機(jī)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(jìn)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(jī)械，是指其裝備的發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)。
12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(jī)械在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進(jìn)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(jī)室通過操縱手柄即可快速完成。一方面，工作機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械。如卡特彼勒公司生產(chǎn)的汀系列綜合多用機(jī)、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(jī)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(jī)械的帶頭人，涉及的產(chǎn)品主要有：挖掘機(jī)、挖掘裝載機(jī)、振動壓路機(jī)、沖擊錘、高空作業(yè)車等，其中最小的挖掘機(jī)斗寬為200mm，車寬小于1m。
13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(jī)械應(yīng)用的局限中解脫出來，在小型和微型工程機(jī)械上也開始了應(yīng)用。如Caterpillar公司在926G型輪式裝載機(jī)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。
14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(jī)器監(jiān)測、診斷、工作與業(yè)務(wù)管理軟件和機(jī)器控制等裝置。METS由以下3部分組成：1)計算機(jī)輔助鏟土運輸系統(tǒng)(CAES)。包括機(jī)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(jī)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(jī)在駕駛室內(nèi)能直觀地了解機(jī)器的作業(yè)位置，并準(zhǔn)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(jī)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(jī)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(jī)器的當(dāng)前狀態(tài)，或加以收集和整理，以便顯示機(jī)器的作業(yè)趨勢。3)CAES office軟件。這種軟件與來自裝有CAES的機(jī)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(yuǎn)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(jī)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(biāo)移動，使目標(biāo)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(jìn)行跟蹤。完成施工工地信息的地貌高精度測量、多目標(biāo)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(jī)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(jī)所有功能的運行狀況，其中包括發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)輔助診斷系統(tǒng)專家)訪問該數(shù)據(jù)，以便進(jìn)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(jī)處于最佳狀態(tài)，從而延長機(jī)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(jī)定位系統(tǒng)，大大提高推土機(jī)的作業(yè)生產(chǎn)率。
卡特彼勒的DOZSIM15是一種極易使用的計算機(jī)程序，可計算推土機(jī)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(jī)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(biāo)樁的情況下，允許司機(jī)精確地控制推土機(jī)的推土板和機(jī)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(jī)定位系統(tǒng)有助于司機(jī)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(jī)顯示機(jī)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(jī)精確作業(yè)，精度可達(dá)cm級。
15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(jī)械公司主要從降低發(fā)動機(jī)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(jī)。其中6缸、72L、自重588kg、功率為131~205kW的3126B型環(huán)保指標(biāo)最好，滿足EPATierⅡ和EUStageⅡ排放標(biāo)準(zhǔn)。卡特彼勒3516B型發(fā)動機(jī)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(jī)械產(chǎn)品，機(jī)外噪聲已降至72dB(A)。綠色環(huán)保型工程機(jī)械理念已經(jīng)顯露。人機(jī)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(jī)的設(shè)計和制造進(jìn)一步體現(xiàn)了以人為本的理念，要為司機(jī)提供一個更加舒適的環(huán)境，以達(dá)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(jī)，賞心悅目的流線型駕駛室。大中型裝載機(jī)駕駛室普遍采用翻車保護(hù)機(jī)構(gòu)(ROPS)和落物撞擊保護(hù)機(jī)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(jī)工程學(xué)設(shè)計的司機(jī)座椅可全方位調(diào)節(jié)，有的已達(dá)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(jī)臺上安裝AM／FM立體聲盒式磁帶收錄機(jī)，為司機(jī)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。
16計算機(jī)管理及故障診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及整機(jī)智能化
以微電子、Internet為重要標(biāo)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(jī)械的產(chǎn)品設(shè)計之中，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的性能及高科技含量。
工程機(jī)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(jī)電一體化控制技術(shù)、負(fù)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(fù)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(jī)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(fù)荷傳感技術(shù)進(jìn)行控制［3］，如Danfoss公司的PVG120負(fù)荷傳感型比例控制閥已經(jīng)成功應(yīng)用于某推土機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)都安裝有電子計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(CMS)，用以取代E系列裝載機(jī)上安裝的電子監(jiān)控系統(tǒng)(EMS)。其司機(jī)臺上裝有條形液晶顯示屏，微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有能同時監(jiān)控發(fā)動機(jī)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(jī)提供三級報警。1998年推出的Cat950G計算機(jī)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?yán)镉霉P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(jī)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(jī)進(jìn)行分析，從而將電氣、機(jī)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(jī)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(jī)載計算機(jī)屏幕的出錯信息，提示司機(jī)出錯原因，并采用三級報警燈光信號(藍(lán)、淡黃、紅)表示發(fā)動機(jī)、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(jī)上。
沃爾沃(Volvo)公司的L系列裝載機(jī)上也安裝有Matris軟件包，用以監(jiān)控和分析裝載機(jī)的工作狀態(tài)；其小型裝載機(jī)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(jī)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(jī)也采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其微處理器安裝在司機(jī)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(jī)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(jī)電一體化。EMS可嚴(yán)密控制機(jī)器各主要功能的變化，了解故障發(fā)生的部位，防止司機(jī)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(jī)上采用計算機(jī)控制的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)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(jī)壽命。另外，裝載機(jī)上可安裝電控式或微機(jī)控制的自動換擋變速器，以及電子稱量、電子消聲器、計算機(jī)監(jiān)控等裝置，簡化操作，確保安全。鏟運機(jī)上采用微機(jī)處理機(jī)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(jī)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(jī)。
17優(yōu)秀的設(shè)計
優(yōu)秀的設(shè)計是延長機(jī)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(fù)荷分析方法，準(zhǔn)確地進(jìn)行了推土機(jī)等在施工現(xiàn)場的受力部件的應(yīng)力分析，提出了延長機(jī)件壽命的設(shè)計(長壽設(shè)計)，即降低面壓(機(jī)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(fù)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(fù)荷、作業(yè)負(fù)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(jī)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(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中也得到了廣泛應(yīng)用。