工程機械設計

工程機械設計第一頁，共十六頁，2022年，8月28日第一章概述我國制造業(yè)的重要組成部分與國外產(chǎn)品有很大差距國內(nèi)工程機械落后的根本原因解決途徑1.1國內(nèi)工程機械現(xiàn)狀第二頁，共十六頁，2022年，8月28日1.2國外工程機械新技術發(fā)展特點新技術與新結(jié)構(gòu)近幾年，國外工程機械產(chǎn)品以信息技術為先導，在發(fā)動機燃料燃燒與電控、液壓控制系統(tǒng)、自動操縱、可視化駕駛、精確定位與作業(yè)、故障診斷與監(jiān)控、節(jié)能與環(huán)保等方面，進行了大量的研究，開發(fā)出許多新結(jié)構(gòu)（或系統(tǒng)）和新產(chǎn)品，提高了工程機械的高科技含量，促進了工程機械的發(fā)展。第三頁，共十六頁，2022年，8月28日1．計算機輔助鏟土運輸技術與GPS定位（全球定位系統(tǒng)）卡特彼勒將其雄偉計劃命名為采礦鏟土運輸技術系統(tǒng)（METS）。METS包括多種多樣的技術產(chǎn)品，如無線電數(shù)據(jù)通信、機器監(jiān)測、診斷、工作與業(yè)務管理軟件和機器控制等裝置。由以下三部分組成：1）計算機輔助鏟土運輸系統(tǒng)（CAES）。包括機載計算、cm級GPS微波定位和高速無線電通信三項技術。在運行中，機載系統(tǒng)通過無線電接收整個無線網(wǎng)絡中的鏟土運輸數(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）關鍵信息管理系統(tǒng)（VIMS）。VIMS監(jiān)測機器中極其關鍵的性能與作業(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。可立即分析數(shù)據(jù)以便估量機器的當前狀態(tài)，或加以收集和整理，以便顯示機器的作業(yè)趨勢。3）CAESoffice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)。第四頁，共十六頁，2022年，8月28日2．推土機定位系統(tǒng)與虛擬推土目前，卡特彼勒公司、模塊采礦系統(tǒng)公司、Leica和特林布爾導航設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DOZSIM1．5，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Wimdows兼容，采用3D模擬技術分析推土機距離、坡度、工場設計參數(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技術的Dozer2000導航系統(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鏟刀板和機器的位置，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。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，并實時顯示關鍵作業(yè)參數(shù)，如鏟刀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)指導司機精確作業(yè)，精度可達cm級。第五頁，共十六頁，2022年，8月28日3．裝載機新技術與新結(jié)構(gòu)

為了提高裝載機的作業(yè)生產(chǎn)率，自90年代以來，各生產(chǎn)廠商在廣泛采用新技術、新結(jié)構(gòu)的同時，經(jīng)過不懈地努力，相繼研制出許多超強功能的系統(tǒng)。現(xiàn)列舉如下：1）行駛平穩(wěn)性控制系統(tǒng)———在動臂舉升油缸液壓回路中增加一個蓄能器，以衰減工作裝置在機器行駛過程中產(chǎn)生的振動，減少裝載機的顛簸。2）附著力控制系統(tǒng)———在每個車輪上安裝一個速度傳感器，自動將所需的制動力施加到車輪上，并將扭矩傳給與之緊密相連的車輪，便于裝載機直線行駛及轉(zhuǎn)向。3）動力電子控制／管理系統(tǒng)———根據(jù)傳動裝置及液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出功率，以滿足不同作業(yè)工況的需要，提高燃料的經(jīng)濟性。4）發(fā)動機自動控制系統(tǒng)———當裝載機處于非作業(yè)工況時，自動降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，減少燃料消耗及發(fā)動機噪音。5）關鍵信息顯示／管理系統(tǒng)———采用網(wǎng)絡通訊技術，在辦公室的控制中心實時監(jiān)控裝載機的作業(yè)狀態(tài)，據(jù)此向司機提供基于文字提示的精確的故障診斷信息。6）轉(zhuǎn)向變速集成控制系統(tǒng)———取消傳統(tǒng)的方向盤和變速桿，將轉(zhuǎn)向與變速操縱裝置集成為一個操縱手柄，并采用簡單的觸發(fā)式方向控制開發(fā)和選擋用的分裝式加速按鈕。利用肘節(jié)的自然動作左右扳動操縱桿，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向；利用大拇指選擇按鈕，實現(xiàn)前進與后退、加速與減速行駛。第六頁，共十六頁，2022年，8月28日7）銷軸潤滑系統(tǒng)———能為工作裝置上的所有銷軸提供為期200h的潤滑服務，并使銷軸的潤滑作業(yè)易于完成。8）舒適驅(qū)動控制系統(tǒng)———其目的是提高司機的舒適性，幫助長時間進行作業(yè)的司機減輕勞累，保持作業(yè)效率。9）負載感應變速系統(tǒng)———根據(jù)負載狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)車速及發(fā)動機飛輪扭矩，實現(xiàn)高速、小扭矩或低速、大扭矩的動力輸出。10）計算機故障診斷系統(tǒng)———通過控制面板上的指示燈、聽覺與視覺相結(jié)合的報警信號，提醒司機可能潛在的故障隱患。這樣，司機只管全神貫注地工作而無需不斷查看儀表讀數(shù)。11）負載自動穩(wěn)定器———采用一對鋼膜氮氣蓄能器，安裝在前車架中，與工作裝置液壓系統(tǒng)聯(lián)通。當作業(yè)或低速行駛時，系統(tǒng)自動斷開；當車速超過4．8km／h時，由電子速度開關控制的電磁閥自動開啟，蓄能器吸收工作裝置液壓系統(tǒng)的振動與沖擊載荷，提高了操作的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。12）自動運輸控制系統(tǒng)———降低機器在凹凸不平路面上的振動，提高駕駛舒適性和作業(yè)效率。JCB公司456BZX（18t）安裝此系統(tǒng)，最高車速達38km／h。13）燃油／空氣比例控制系統(tǒng)———提高燃料的利用率，確保發(fā)動機排出的廢氣符合環(huán)境控制法規(guī)要求。第七頁，共十六頁，2022年，8月28日14）計算機監(jiān)控／管理系統(tǒng)———連續(xù)監(jiān)控／管理裝載機數(shù)十項性能指標參數(shù)，在遇到突發(fā)或緊急情況時，很容易通過液晶儀表顯示、聽覺與視覺相結(jié)合報警信號，提醒駕駛?cè)藛T注意。15）裝載量稱量系統(tǒng)———自動稱量并顯示鏟斗的凈裝載量，測量誤差小于3％。16）面板控制系統(tǒng)———采用聲、光、電及數(shù)字顯示的控制面板，實現(xiàn)裝載機儀器與儀表的報警與監(jiān)控。17）油泵電子管理系統(tǒng)———自動監(jiān)控油泵的運行狀態(tài)。18）柴油發(fā)動機先進管理系統(tǒng)———燃油噴射控制及維護發(fā)動機最佳性能的電子控制模塊，亦可與監(jiān)測系統(tǒng)進行通信，當發(fā)生故障時提醒司機注意。Cat3516B型發(fā)動機裝備有此模塊。19）先進的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)———替代傳統(tǒng)的方向盤和控制手柄，安裝在WA1200型上。第八頁，共十六頁，2022年，8月28日發(fā)展趨勢廣泛應用微電子技術與信息技術，完善計算機輔助駕駛系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)；采用單一吸聲材料、噪聲抑制方法等消除或降低機器噪音；通過不斷改進電噴裝置，進一步降低柴油發(fā)動機的尾氣排放量；研制無污染、經(jīng)濟型、環(huán)保型的動力裝置；提高液壓元件、傳感元件和控制元件的可靠性與靈敏性，提高整機的機—電—信一體化水平；在控制系統(tǒng)方面，將廣泛采用電子監(jiān)控和自動報警系統(tǒng)、自動換擋變速裝置；用于物料精確挖（鏟）、裝、載、運作業(yè)的工程機械將安裝GPS定位與重量自動稱量裝置；開發(fā)特種用途的“機器人式”工程機械等。第九頁，共十六頁，2022年，8月28日1．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1000HP，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—德雷塞這三家公司能夠生產(chǎn)特大型裝載機。第十頁，共十六頁，2022年，8月28日2．多用途、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，已進入多用途、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的發(fā)展———通過對液壓系統(tǒng)的合理設計，使得工作裝置能夠完成多種作業(yè)功能；其次，快速可更換聯(lián)接裝置的誕生———安裝在工作裝置上的液壓快速可更換聯(lián)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聯(lián)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IT系列綜合多用機、克拉克公司生產(chǎn)的“山貓”等。第十一頁，共十六頁，2022年，8月28日3．電子化與信息化互動以微電子、Internet為重要標志的信息時代，不斷研制出集液壓、微電子及信息技術于一體的智能系統(tǒng)，并廣泛應用于工程機械的產(chǎn)品設計之中，進一步提高了產(chǎn)品的性能及高科技含量。LeTourneau集成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)便是一例。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。第十二頁，共十六頁，2022年，8月28日4．不斷創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設計以裝載機為例，工作裝置已不再采用單一的“Z型”連桿機構(gòu)，繼出現(xiàn)了八桿平行結(jié)構(gòu)和TP連桿機構(gòu)之后，卡特彼勒公司于1996年首次在礦用大型裝載機上采用了單動臂鑄鋼結(jié)構(gòu)的特殊工作裝置，即所謂的“VersaLink機構(gòu)”。這種機構(gòu)替代綜合多用機上的八桿平行舉升機構(gòu)和傳統(tǒng)的“Z型”連桿機構(gòu)，可承受極大的扭矩載荷和具有卓越的可靠性（耐用性），駕駛室前端視野開闊。O＆K公司研制的創(chuàng)新LEAR連桿機構(gòu)，專為小型裝載機而設計。Schaeff公司于2000年3月在Intermat展覽會上展出的高卸位式SKL873型輪式裝載機的可折疊式創(chuàng)新連桿機構(gòu)工作裝置，進一步增加了輪式裝載機的工作裝置的種類。第十三頁，共十六頁，2022年，8月28日5．安全、舒適、可靠駕駛室將逐步實施ROPS和FOPS設計方法，配裝冷暖空調(diào)。全密封及降噪處理的“安全環(huán)保型”駕駛室，采用人機工程學設計的司機座椅可全方位調(diào)節(jié)，以及功能集成的操縱手柄、全自動換擋裝置及電子監(jiān)控與故障自診斷系統(tǒng)，以改善司機的工作環(huán)境，提高作業(yè)效率。大型工程機械安裝有閉路監(jiān)視系統(tǒng)以及超聲波后障礙探測系統(tǒng)，為司機安全作業(yè)提供音頻和視頻信號。微機監(jiān)控和自動報警的集中潤滑系統(tǒng)，大大簡化了機器的維修程序，縮短了維修時間。如卡特彼勒公司的F系列裝載機日常維修時間只需3．45min。目前，大型工程機械的使用壽命達2．05萬小時，最高可達2．5萬小時。第十四頁，共十六頁，2022年，8月28日．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、降噪等方面入手。目前，卡特彼勒公司生產(chǎn)功率為15～10150kM的柴油發(fā)動機。其中6缸、7．2升、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?？ㄌ乇死?516B型發(fā)動機裝有