国外工程机械新技术、新结构与发展趋势

摘要：自90年代以来，国外工程机械进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量，努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员的工作条件，向节能、环保方向发展。由于工程机械涉及的机种较多，本文重点以轮式装载机（以下简称“装载机”）为例，就其技术现状、新技术和新结构，以及发展趋势作简单介绍。 新技术与新结构 近几年，国外工程机械产品以信息技术为先导，在发动机燃料燃烧与电控、液压控制系统、自动操纵、可视化驾驶、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面，进行了大量的研究，开发出许多新结构（或系统）和新产品，提高了工程机械的高科技含量，促进了工程机械的发展。 1．计算机辅助铲土运输技术与G PS定位（全球定位系统） 卡特彼勒将其雄伟计划命名为采矿铲土运输技术系统（M ETS）。M ETS包括多种多样的技术产品，如无线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理软件和机器控制等装置。由以下三部分组成：1）计算机辅助铲土运输系统（CAES）。包括机载计算、cm级G PS微波定位和高速无线电通信三项技术。在运行中，机载系统通过无线电接收整个无线网络中的铲土运输数据、工程数据或现场规划数据。这些数据都显示在驾驶室内的一个屏幕上，司机在驾驶室内能直观地了解机器的作业位置，并准确地判断需要挖掘、回填或装载的土方量。2）关键信息管理系统（V IM S）。V IM S监测机器中极其关键的性能与作业参数，并且通过无线电将数据从该机器传送到业主办公室。可立即分析数据以便估量机器的当前状态，或加以收集和整理，以便显示机器的作业趋势。3）C AESo ffice软件。这种软件与来自装有C AES的机器的数据相结合，产生一个集成的现时作业模型，使业主能在接近实时条件下对现场或远处监控各种作业。 2．推土机定位系统与虚拟推土 目前，卡特彼勒公司、模块采矿系统公司、Le ica和特林布尔导航设备有限公司均可独立提供基于G PS的推土机定位系统，大大提高推土机的作业生产率。 卡特彼勒的D O ZSIM1．5，是一种极易使用的计算机程序，可计算推土机的作业生产率。该软件包与W im d ow s兼容，采用3D模拟技术分析推土机距离、坡度、工场设计参数，并可输出总土方量（压实或松散）、每趟移走的土方量、每小时移走的土方量、每趟总耗时、每趟总成本、总系统生产率等大量信息。计算机精度高于C AD系统。 Le ica采用G PS技术的D o ze r 2000导航系统，在无需勘察标桩的情况下，允许司机精确地控制推土机的铲刀板和机器的位置，实现虚拟推土作业。 模块采矿系统公司的推土机定位系统有助于司机完成诸如坡度与推土任务。驾驶室内安装有图像控制台，向司机显示机器在作业区内的位置，并实时显示关键作业参数，如铲刀角度或被移动的土方体积。 T r im b le的产品是Site V isio n G PS，可实现坡度的精确控制，驾驶室内可视化显示系统指导司机精确作业，精度可达cm级。 3．装载机新技术与新结构 为了提高装载机的作业生产率，自90年代以来，各生产厂商在广泛采用新技术、新结构的同时，经过不懈地努力，相继研制出许多超强功能的系统。现列举如下：1）行驶平稳性控制系统———在动臂举升油缸液压回路中增加一个蓄能器，以衰减工作装置在机器行驶过程中产生的振动，减少装载机的颠簸。2）附着力控制系统———在每个车轮上安装一个速度
传感器，自动将所需的制动力施加到车轮上，并将扭矩传给与之紧密相连的车轮，便于装载机直线行驶及转向。3）动力电子控制／管理系统———根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节发动机输出功率，以满足不同作业工况的需要，提高燃料的经济性。4）发动机自动控制系统———当装载机处于非作业工况时，自动降低发动机转速，减少燃料消耗及发动机噪音。5）关键信息显示／管理系统———采用网络通讯技术，在办公室的控制中心实时监控装载机的作业状态，据此向司机提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。6）转向变速集成控制系统———取消传统的方向盘和变速杆，将转向与变速操纵装置集成为一个操纵手柄，并采用简单的触发式方向控制开发和选挡用的分装式加速按钮。利用肘节的自然动作左右扳动操纵杆，实现转向；利用大拇指选择按钮，实现前进与后退、加速与减速行驶。7）销轴润滑系统———能为工作装置上的所有销轴提供为期200h的润滑服务，并使销轴的润滑作业易于完成。8）舒适驱动控制系统———其目的是提高司机的舒适性，帮助长时间进行作业的司机减轻劳累，保持作业效率。9）负载感应变速系统———根据负载状态，自动调节车速及发动机飞轮扭矩，实现高速、小扭矩或低速、大扭矩的动力输出。10）计算机故障诊断系统———通过控制面板上的指示灯、听觉与视觉相结合的报警信号，提醒司机可能潜在的故障隐患。这样，司机只管全神贯注地工作而无需不断查看仪表读数。11）负载自动稳定器———采用一对钢膜氮气蓄能器，安装在前车架中，与工作装置液压系统联通。当作业或低速行驶时，系统自动断开；当车速超过4．8km／h时，由电子速度开关控制的电磁阀自动开启，蓄能器吸收工作装置液压系统的振动与冲击载荷，提高了操作的稳定性、安全性和舒适性。12）自动运输控制系统———降低机器在凹凸不平路面上的振动，提高驾驶舒适性和作业效率。JC B公司456BZX（18t）安装此系统，最高车速达38km／h。13）燃油／空气比例控制系统———提高燃料的利用率，确保发动机排出的废气符合环境控制法规要求。14）计算机监控／管理系统———连续监控／管理装载机数十项性能指标参数，在遇到突发或紧急情况时，很容易通过液晶仪表显示、听觉与视觉相结合报警信号，提醒驾驶人员注意。15）装载量称量系统———自动称量并显示铲斗的净装载量，测量误差小于3％。16）面板控制系统———采用声、光、电及数字显示的控制面板，实现装载机仪器与仪表的报警与监控。17）油泵电子管理系统———自动监控油泵的运行状态。18）柴油发动机先进管理系统———燃油喷射控制及维护发动机最佳性能的电子控制模块，亦可与监测系统进行通信，当发生故障时提醒司机注意。C a t3516B型发动机装备有此模块。19）先进的转向系统———替代传统的方向盘和控制手柄，安装在W A1200型上。 发展趋势 广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器噪音；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾气排放量；研制无污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机的机—电—信一体化水平；在控制系统方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置；用于物料精确挖（铲）、装、载、运作业的工程机械将安装G PS定位与重量自动称量装置；开发特种用途的“机器人式”工程机械等。 1．系列化、特大型化 系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化进程，形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时，产品更新换代的周期明显缩短。所谓特大型工程机械，是指其装备的发动机额定功率超过1000H P，主要用于大型露天矿山或大型水电工程工地。产品特点是科技含量高，研制与生产周期较长，投资大市场容量有限，市场竞争主要集中少数几家公司。以装载机为例，目前仅有马拉松·勒图尔勒、卡特彼勒和小松—德雷塞这三家公司能够生产特大型装载机。 2．多用途、微型化 为了全方位地满足不同用户的需求，国外工程机械在朝着系列化、特大型化方向发展的同时，已进入多用途、微型化发展阶段。推动这一发展的因素首先源于液压技术的发展———通过对液压系统的合理设计，使得工作装置能够完成多种作业功能；其次，快速可更换联接装置的诞生———安装在工作装置上的液压快速可更换联接器，能在作业现场完成各种附属作业装置的快速装卸及液压软管的自动联接，使得更换附属作业装置的工作在司机室通过操纵手柄即可快速完成。一方面，工作机械通用性的提高，可使用户在不增加投资的前提下充分发挥设备本身的效能，能完成更多的工作；另一方面，为了尽可能地用机器作业替代人力劳动，提高生产效率，适应城市狭窄施工场所以及在货栈、码头、仓库、舱位、农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求，小型及微型工程机械有了用武之地，并得到了较快的发展。为占领这一市场，各生产厂商都相继推出了多用途、小型和微型工程机械。如卡特彼勒公司生产的IT系列综合多用机、克拉克公司生产的“山猫”等。 3．电子化与信息化互动 以微电子、In te rn e t为重要标志的信息时代，不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统，并广泛应用于工程机械的产品设计之中，进一步提高了产品的性能及高科技含量。LeT o u rn eau集成网络控制系统便是一例。通过显示在机载计算机屏幕的出错信息，提示司机出错原因，并采用三级报警灯光信号（蓝、淡黄、红）表示发动机、液压系统、电气和电子系统的各种状态。目前，该系统已安装在L1350型矿用装载机上。 4．不断创新的结构设计 以装载机为例，工作装置已不再采用单一的“Z型”连杆机构，继出现了八杆平行结构和TP连杆机构之后，卡特彼勒公司于1996年首次在矿用大型装载机上采用了单动臂铸钢结构的特殊工作装置，即所谓的“Ve rsaL ink机构”。这种机构替代综合多用机上的八杆平行举升机构和传统的“Z型” 连杆机构，可承受极大的扭矩载荷和具有卓越的可靠性（耐用性），驾驶室前端视野开阔。O＆K公司研制的创新LEAR连杆机构，专为小型装载机而设计。Sch ae ff公司于2000年3月在In te rm a t展览会上展出的高卸位式SK L873型轮式装载机的可折叠式创新连杆机构工作装置，进一步增加了轮式装载机的工作装置的种类。 5．安全、舒适、可靠 驾驶室将逐步实施R O PS和FO PS设计方法，配装冷暖空调。全密封及降噪处理的“安全环保型”驾驶室，采用人机工程学设计的司机座椅可全方位调节，以及功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置及电子监控与故障自诊断系统，以改善司机的工作环境，提高作业效率。大型工程机械安装有闭路监视系统以及超声波后障碍探测系统，为司机安全作业提供音频和视频信号。微机监控和自动报警的集中润滑系统，大大简化了机器的维修程序，缩短了维修时间。如卡特彼勒公司的F系列装载机日常维修时间只需3．45m in。目前，大型工程机械的使用寿命达2．05万小时，最高可达2．5万小时。 6．节能与环保 为提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求，国外工程机械公司主要从降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。目前，卡特彼勒公司生产功率为15～10150kM的柴油发动机。其中6缸、7．2升、自重588kg、功率为131～205kW的3126B型环保指标最好，满足EPA Tie rⅡ和EU Stag eⅡ排放标准。卡特彼勒3516B型发动机装有电子喷射装置及AD EM模块，可提高22％的喷射压力，便于燃油完全、高效燃烧，燃烧效率可提高5％，N o X下降40％，扭矩增加35％。个别厂家生产的工程机械产品，机外品噪声已降至72dB（A）。