近年來,隨著建設規模和資源開發的擴大,對工程機械的需求迅速增加,對其可靠性、維修性、安全性和燃油經濟性提出了更高的要求。隨著微電子技術向工程機械的滲透,現代推土機日益向智能化、機電壹體化方向發展。20世紀90年代以來,國外工程機械進入了壹個新的發展時期,在新技術廣泛應用的同時,新結構、新產品不斷湧現。在完成提高整機可靠性的任務後,技術發展的重點是增加產品的電子信息技術含量和智能化,努力提高產品的標準化、系列化和通用化,改善駕駛員的工作條件,向節能環保方向發展。
1新技術發展現狀;
A.系列化和超大尺寸
系列化是工程機械發展的重要趨勢。國外知名大公司也逐漸實現了產品的系列化進程,形成了從微型到超大型不同規格的產品。同時,產品更新換代的周期明顯縮短。所謂超大型工程機械是指其發動機額定功率超過746kW(1 000HP)。主要用於大型露天礦山或大型水電工程現場。產品的特點是科技含量高,開發生產周期長,投資大,市場容量有限,市場競爭主要集中在少數公司。以裝載機為例。目前只有馬拉松?Retour Le、卡特彼勒和小松德萊塞是三家能夠生產特大型裝載機的公司。
B.多用途、超小型化和微型化
為了全面滿足不同用戶的需求,國外工程機械在向系列化、特大型化方向發展的同時,也進入了多用途、超小型化、小型化階段。推動這壹發展的因素首先來自液壓技術的發展——通過液壓系統的合理設計,工作裝置可以完成多種工作功能;其次,安裝在工作裝置上的快換接頭——液壓快換接頭的誕生,可以在作業現場完成各種輔助工作裝置的快速裝卸和液壓軟管的自動連接,使更換輔助工作裝置的工作可以在駕駛室通過操縱手柄快速完成。壹方面,工作機通用性的提高可以讓用戶充分發揮設備本身的效率,在不增加投入的情況下完成更多的工作;另壹方面,為了盡可能用機器操作代替人力勞動,提高生產效率,滿足狹窄的城市施工場地和倉庫、碼頭、庫房、船艙、農房、樓房、地下工程工作環境的使用要求,小微工程機械找到了自己的位置,並得到了迅速發展。為了占領這壹市場,各廠商相繼推出了多用途、小型和微型工程機械。比如卡特彼勒公司生產的Ting系列多用機,克拉克公司生產的山貓牌產品。目前世界上推出微型工程機械的公司主要有小松、凱斯、德事隆等。卡特彼勒也成為國際微型工程機械的領導者,其產品主要包括挖掘機、挖掘裝載機、振動壓路機、沖擊錘、高空作業車等。最小的挖掘機鏟鬥寬度為200mm,車輛寬度小於1m。
C.多功能的
多功能作業裝置改變了單壹的作業功能,各種作業擺脫了中大型工程機械的限制,也開始應用於小型和微型工程機械。如卡特彼勒公司在926G輪式裝載機基礎上開發的IT62G,具有快速連接裝置,駕駛員可在駕駛室內完成更換不同工作裝置的動作,如更換鏟叉、抓鬥、卸鬥、掃雷裝置、道路清掃裝置、破碎裝置等。
D.微電子和信息技術的普及和應用
利用GPS(全球定位系統)、GIS和GSM技術,卡特彼勒將其宏偉計劃命名為采礦鏟運機運輸技術系統(METS)。METS包括各種技術產品,如無線電數據通信、機器監控、診斷、工作和商業管理軟件以及機器控制設備。METS由以下三部分組成:1)計算機輔助刮運系統(CAES)。包括機載計算、em級GPS微波定位和高速無線電通信。在操作中,機載系統通過無線電接收整個無線網絡中的鏟運輸數據、工程數據或場地規劃數據。這些數據顯示在駕駛室的屏幕上,駕駛員可以直觀地了解機器的工作位置,並準確判斷需要挖掘、回填或裝載的土方量。2)關鍵信息管理系統(VIMS)。VIMS系統監控機器極其關鍵的性能和操作參數,並通過無線電將數據從機器傳輸到所有者的辦公室。主人可以立即分析數據,以估計機器的當前狀態,或者收集和整理這些數據,以顯示機器的工作趨勢。3)CAES辦公軟件。該軟件與來自配備CAES的機器的數據相結合,生成壹個集成的當前操作模型,使所有者能夠以接近實時的條件監控現場或遠處的各種操作。GPS導航系統與電子地圖、無線通信網絡和計算機車輛管理信息系統相結合,可以實現車輛跟蹤和交通管理等多種功能。這些功能包括:利用GPS和電子地圖,可以實時顯示車輛的實際位置,地圖可以隨意放大、縮小、恢復和更改;可以隨目標移動,使目標始終停留在屏幕上;而且可以實現多窗口、多車輛、多屏幕的同時跟蹤。該功能可用於跟蹤重要車輛。完成施工現場信息的高精度地形測量、多目標采集數據的事後回放、顯示和記錄等功能。
E.節能和環境保護
為了提高產品的節能效果,滿足日益苛刻的環保要求,國外工程機械公司主要著眼於降低發動機排放、提高液壓系統效率、降低振動和噪聲。目前卡特彼勒生產的柴油機功率為15~150kW。其中6缸和7?3126B型,自重2L,功率131 ~ 205 588kg,環保指標最好,符合EPATierⅱII和EUStageⅱII的排放標準。卡特彼勒3516B發動機配有電噴裝置和ADEM模塊,可使噴射壓力提高22%,有利於燃油的完全高效燃燒,燃燒效率提高5%,NOX降低40%,扭矩提高35%。個別廠家生產的工程機械產品外部噪聲降低到72dB(A)。綠色環保工程機械的概念已經顯露。人體工程學和無汙染的綠色施工已經成為人們的知識。
近年來,國外裝載機的設計和制造進壹步體現了以人為本的理念,需要為駕駛員提供更舒適的環境,才能達到他們所說的全自動化的局面。根據人體工程學,設計了座椅、控制臺、環保低噪音發動機和令人愉悅的流線型駕駛室。ROPS和FOPS廣泛應用於大中型裝載機的駕駛室,空調裝置安裝在室內。采用防塵、減振、隔音材料;根據人體工程學設計的駕駛座可以全方位調節,有些已經達到了汽車座椅的舒適程度。在座位的右側,還有壹個放置飯盒、水瓶等物品的地方。AM/FM立體聲盒式錄音機安裝在駕駛員平臺上,為駕駛員的安全操作提供音頻和視頻信號。有的還安裝了網絡電話,大大提高了工作的舒適度。
2工程機械的新結構
工程機械不僅要有科學合理的結構來滿足實際需要,還要結合美學規律、造型規律和色彩配置手法來展現工程機械造型的藝術性。工程機械中材料、工藝等條件的運用,充分體現了產品的造型美、線條美、色彩美和表面裝飾美。
以輪式裝載機(以下簡稱“裝載機”)為例,簡要介紹其新技術和新結構。
A.聯動機構
以裝載機為例,不再使用單壹的“Z”形連桿機構作為工作裝置。繼八桿並聯結構和TP連桿機構相繼出現後,卡特彼勒公司在1996中首次采用了單臂鑄鋼結構的專用工作裝置,即所謂的“VersaLink機構”。該機構取代了多用途機上的八桿平行升降機構和傳統的“Z形”連桿機構,能承受很大的扭矩載荷,可靠性(耐久性)極佳,駕駛室前端視野開闊。O & ampK公司開發的創新型李爾連桿機構是專門為小型裝載機設計的。Schaeff公司在2000年3月Intermat展覽會上展出的SKL873高卸載輪式裝載機的折疊式創新連桿機構工作裝置,進壹步增加了輪式裝載機工作裝置的種類。
B.乘坐舒適性控制系統
德國Hannomag公司的大中型裝載機都安裝了自動負載穩定系統(ALS)。在動臂提升液壓缸的液壓回路中增加了壹個蓄能器和壹對鋼膜氮氣蓄能器,安裝在前車架中,與工作裝置的液壓系統連通。工作或低速行駛時,系統自動斷開;當速度超過4?8 km/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的振動和沖擊載荷,提高了運行的穩定性、安全性和舒適性。日本小松公司的WA500-3上配備的類似系統叫做ECSS,由主監控器、ECSS開關、高低壓儲能和壓力速度傳感器組成,能根據裝載機行駛情況發出控制信號,消除高速行駛引起的車體擺動。它能提供工作裝置上下移動的靈活性,防止桶內物料跳出,使物料保持良好;還能降低40% ~ 50%的類似縱向和垂向的低頻振動。
C.附著力控制系統
每個車輪上都裝有速度傳感器,自動給車輪施加所需的制動力,並將扭矩傳遞給與之緊密相連的車輪,便於裝載機直線行駛和轉彎。
D.電力電子控制管理系統
根據傳動裝置和液壓系統的工作狀態,自動調節發動機的輸出功率,以滿足不同工況的需要,提高燃油經濟性。
E.自動發動機控制系統
當裝載機處於非工作狀態時,發動機轉速自動降低,以降低油耗和發動機噪音。例如,卡特彼勒公司994D裝載機使用的新壹代Cat3516柴油發動機,配備了HEUI(電液控制燃油噴射)裝置和ADEM(高級柴油發動機管理)系統,可以根據外部負載有效控制發動機的功率和轉速,從而降低油耗、廢氣排放和噪音。Marathon Ray Tournaud公司的L系列大型裝載機采用電腦控制的柴電輪驅動系統,四個驅動輪同時作為制動器,其輸出功率可反饋給交流電機和柴油機,以提高轉速,從而提高整體工作效率,牽引效率高達77%(普通裝載機約60%)。該pc控制系統可以監控裝載機的整個工作過程,並在最大速度範圍內盡可能提高發動機的輸出功率。
F.轉向和變速綜合控制系統
取消了傳統的方向盤和變速桿,將轉向和變速控制裝置集成在壹個控制手柄上,采用了簡單的觸發式方向控制開關和選擋的分體包式加速按鈕。利用肘型自然動作左右拉動操縱桿實現轉向;使用拇指選擇按鈕實現前進和後退、加速和減速。
G.負載感應變速系統
根據負載狀態自動調節車速和發動機飛輪的扭矩,實現高速、小扭矩或低速、大扭矩的動力輸出。
H.駕駛員輔助操作系統
近年來,國外裝載機公司已經開發或正在開發壹些輔助操作系統,可以幫助駕駛員更有效地操作。用計算機計算作業周期就是其中之壹。安裝在輪式裝載機上的電子計算機可以對操作循環進行編程,使得鏟裝操作可以自動化或部分自動化。舉個例子,壹個從碎石堆鏟碎石到卡車的循環是:放下吊臂、開到堆前、鏟完堆、提起吊臂合上鏟鬥、轉向卡車、卸載。在駕駛員對該循環的全部或部分進行編程後,裝載機的操作可以完全或部分自動化,從而大大減少駕駛員的操作。
3發展趨勢
廣泛應用微電子和信息技術,完善計算機輔助駕駛系統、信息管理系統和故障診斷系統;采用單壹吸聲材料和噪聲抑制方法,消除或降低機器噪聲;通過不斷改進電噴裝置,柴油機的尾氣排放進壹步降低;發展無汙染、經濟、環保的電廠;提高液壓元件、傳感元件和控制元件的可靠性和靈敏度,提高整機的機電信號壹體化水平;在控制系統中,電子監控和自動報警系統以及自動換擋裝置將得到廣泛應用;用於精確挖掘(鏟)、裝載、裝載和操作材料的施工機械將配備GPS定位和自動重量稱重裝置;專用“機器人”工程機械的發展:集成轉向和變速控制系統和指令控制系統、總線技術;計算機控制的發動機管理系統、計算機管理和故障診斷、監控系統、電子自動換檔控制系統、轉向和變速綜合控制系統和指令控制系統。