工程機(jī)械設(shè)計(jì)

工程機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械落后的根本原因解決途徑1.1國內(nèi)工程機(jī)械現(xiàn)狀第二頁，共十六頁，2022年，8月28日1.2國外工程機(jī)械新技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)新技術(shù)與新結(jié)構(gòu)近幾年，國外工程機(jī)械產(chǎn)品以信息技術(shù)為先導(dǎo)，在發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jī)械的高科技含量，促進(jìn)了工程機(jī)械的發(fā)展。第三頁，共十六頁，2022年，8月28日1．計(jì)算機(jī)輔助鏟土運(yùn)輸技術(shù)與GPS定位（全球定位系統(tǒng)）卡特彼勒將其雄偉計(jì)劃命名為采礦鏟土運(yùn)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。由以下三部分組成：1）計(jì)算機(jī)輔助鏟土運(yùn)輸系統(tǒng)（CAES）。包括機(jī)載計(jì)算、cm級GPS微波定位和高速無線電通信三項(xiàng)技術(shù)。在運(yùn)行中，機(jī)載系統(tǒng)通過無線電接收整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中的鏟土運(yùn)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(gè)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?？闪⒓捶治鰯?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）CAESoffice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(gè)集成的現(xiàn)時(shí)作業(yè)模型，使業(yè)主能在接近實(shí)時(shí)條件下對現(xiàn)場或遠(yuǎn)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(jī)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(dǎo)航設(shè)備有限公司均可獨(dú)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?？ㄌ乇死盏腄OZSIM1．5，是一種極易使用的計(jì)算機(jī)程序，可計(jì)算推土機(jī)的作業(yè)生產(chǎn)率。該軟件包與Wimdows兼容，采用3D模擬技術(shù)分析推土機(jī)距離、坡度、工場設(shè)計(jì)參數(shù)，并可輸出總土方量（壓實(shí)或松散）、每趟移走的土方量、每小時(shí)移走的土方量、每趟總耗時(shí)、每趟總成本、總系統(tǒng)生產(chǎn)率等大量信息。計(jì)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)的鏟刀板和機(jī)器的位置，實(shí)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(shí)時(shí)顯示關(guān)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(shí)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。第五頁，共十六頁，2022年，8月28日3．裝載機(jī)新技術(shù)與新結(jié)構(gòu)

為了提高裝載機(jī)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(shù)、新結(jié)構(gòu)的同時(shí)，經(jīng)過不懈地努力，相繼研制出許多超強(qiáng)功能的系統(tǒng)?，F(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(gè)蓄能器，以衰減工作裝置在機(jī)器行駛過程中產(chǎn)生的振動，減少裝載機(jī)的顛簸。2）附著力控制系統(tǒng)———在每個(gè)車輪上安裝一個(gè)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(jī)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(jī)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(jì)性。4）發(fā)動機(jī)自動控制系統(tǒng)———當(dāng)裝載機(jī)處于非作業(yè)工況時(shí)，自動降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，減少燃料消耗及發(fā)動機(jī)噪音。5）關(guān)鍵信息顯示／管理系統(tǒng)———采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，在辦公室的控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)控裝載機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，據(jù)此向司機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；利用大拇指選擇按鈕，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)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(wù)，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(jī)的舒適性，幫助長時(shí)間進(jìn)行作業(yè)的司機(jī)減輕勞累，保持作業(yè)效率。9）負(fù)載感應(yīng)變速系統(tǒng)———根據(jù)負(fù)載狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)車速及發(fā)動機(jī)飛輪扭矩，實(shí)現(xiàn)高速、小扭矩或低速、大扭矩的動力輸出。10）計(jì)算機(jī)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(bào)警信號，提醒司機(jī)可能潛在的故障隱患。這樣，司機(jī)只管全神貫注地工作而無需不斷查看儀表讀數(shù)。11）負(fù)載自動穩(wěn)定器———采用一對鋼膜氮?dú)庑钅芷?，安裝在前車架中，與工作裝置液壓系統(tǒng)聯(lián)通。當(dāng)作業(yè)或低速行駛時(shí)，系統(tǒng)自動斷開；當(dāng)車速超過4．8km／h時(shí)，由電子速度開關(guān)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(yùn)輸控制系統(tǒng)———降低機(jī)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(dá)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(jī)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(jì)算機(jī)監(jiān)控／管理系統(tǒng)———連續(xù)監(jiān)控／管理裝載機(jī)數(shù)十項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)，在遇到突發(fā)或緊急情況時(shí)，很容易通過液晶儀表顯示、聽覺與視覺相結(jié)合報(bào)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(shí)現(xiàn)裝載機(jī)儀器與儀表的報(bào)警與監(jiān)控。17）油泵電子管理系統(tǒng)———自動監(jiān)控油泵的運(yùn)行狀態(tài)。18）柴油發(fā)動機(jī)先進(jìn)管理系統(tǒng)———燃油噴射控制及維護(hù)發(fā)動機(jī)最佳性能的電子控制模塊，亦可與監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行通信，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)提醒司機(jī)注意。Cat3516B型發(fā)動機(jī)裝備有此模塊。19）先進(jìn)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(yīng)用微電子技術(shù)與信息技術(shù)，完善計(jì)算機(jī)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(jī)器噪音；通過不斷改進(jìn)電噴裝置，進(jìn)一步降低柴油發(fā)動機(jī)的尾氣排放量；研制無污染、經(jīng)濟(jì)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(jī)的機(jī)—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(bào)警系統(tǒng)、自動換擋變速裝置；用于物料精確挖（鏟）、裝、載、運(yùn)作業(yè)的工程機(jī)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(jī)器人式”工程機(jī)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(jī)械發(fā)展的重要趨勢。國外著名大公司逐步實(shí)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(shí)，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(diǎn)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(jī)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(jī)。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(jī)械在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時(shí)，已進(jìn)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(shù)的發(fā)展———通過對液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，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(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IT系列綜合多用機(jī)、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(biāo)志的信息時(shí)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(jì)之中，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的性能及高科技含量。LeTourneau集成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)便是一例。通過顯示在機(jī)載計(jì)算機(jī)屏幕的出錯(cuò)信息，提示司機(jī)出錯(cuò)原因，并采用三級報(bào)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。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(shè)計(jì)以裝載機(jī)為例，工作裝置已不再采用單一的“Z型”連桿機(jī)構(gòu)，繼出現(xiàn)了八桿平行結(jié)構(gòu)和TP連桿機(jī)構(gòu)之后，卡特彼勒公司于1996年首次在礦用大型裝載機(jī)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(jī)構(gòu)”。這種機(jī)構(gòu)替代綜合多用機(jī)上的八桿平行舉升機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)的“Z型”連桿機(jī)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(jī)構(gòu)，專為小型裝載機(jī)而設(shè)計(jì)。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(jī)的可折疊式創(chuàng)新連桿機(jī)構(gòu)工作裝置，進(jìn)一步增加了輪式裝載機(jī)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(shí)施ROPS和FOPS設(shè)計(jì)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(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的司機(jī)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(jī)的工作環(huán)境，提高作業(yè)效率。大型工程機(jī)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(jī)安全作業(yè)提供音頻和視頻信號。微機(jī)監(jiān)控和自動報(bào)警的集中潤滑系統(tǒng)，大大簡化了機(jī)器的維修程序，縮短了維修時(shí)間。如卡特彼勒公司的F系列裝載機(jī)日常維修時(shí)間只需3．45min。目前，大型工程機(jī)械的使用壽命達(dá)2．05萬小時(shí)，最高可達(dá)2．5萬小時(shí)。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(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(jī)。其中6缸、7．2升、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