工程机械关键基础部件技术发展展望---讨论

黄牛 · 发表于 2009-4-13 20:52:35

写的非常不错，对工程机械及其关键零部件的发展分析的非常透彻。欢迎大家继续讨论。

作者：徐工集团科技部　马铸

工程机械，是机械工业一个重要行业，其发展水平直接影响和制约到交通运输建设、能源开发、工业与民用建筑业等城镇基础设施建设，成为国家进行现代化建设的主力军和先行官。有无发达的工程机械制造业，已是经济强国和发达国家的重要标记之一。而工程机械关键基础部件是工程机械产品发展的基础、支撑和制约瓶颈，当工程机械发展到一定阶段后，行业高技术的研究主要聚集在发动机、液压、传动和控制技术等关键部件上。掌握和依托高质量的、有特色的关键基础部件就成为制造企业核心竞争力的主要战略之一。在国际上来看，工程机械及其关键基础部件也属于充分市场化了的战略支柱产业。
1 工程机械关键基础部件的重要作用和战略意义现阶段，战略性的工程机械关键基础部件主要是清洁动力装置、高效液压元件与系统、计算机控制的变速器、智能控制器等。 2000年～2002年的我国工程机械关键部件进出口情况如表1所示：据统计，目前，在我国生产的几种典型工程机械中，关键部件（如发动机，变速器、液压元件、控制及电器系统）占整机成本的平均比例如表2所示。关于国内工程机械关键基础部件的竞争力，要首先从工程机械主机说起。在国际竞争力方面，国内工程机械企业仍然只是立足于国内市场，且在产品机种上竞争力逐渐分化。传统机种，如装载机、推土机、叉车、起重机、平地机等采用国产关键部件，同时利用规模和营销手段，有着绝对的竞争优势；一些机种如摊铺机、混凝土机械、压路机等采用国外先进关键部件，加之多年在引进技术基础上的消化吸收和创新，相对产生了系统的路径依赖，也有相当的竞争力；在一些大型产品、高智能化档次产品和新兴专业产品上，如6吨以上装载机、220马力以上推土机、工程钻机等方面，没有竞争力；在使用量日渐广泛的典型土方设备–挖掘机上，由于控制技术及关键部件制造技术诀窍的缺乏，几乎拱手相让。关键部件的竞争力此时是与其相应配套主机相关的。
2 国内外发展现状与趋势
2.1 国外工程机械关键部件近几年来的发展及趋势
1）全球范围的兼并重组加剧，生产集中度进一步提高。
2）专业化生产程度提高，越来越多的企业成为组装厂，发动机、传动系统、液压系统、控制系统基本上包给专业厂生产，如生产发动机的美国CUMMINS公司、德国DEULTS公司，生产传动件的德国ZF公司、美国ALLISON公司，生产液压件的德国REXROTH公司、美国SAUER公司等发展日益迅猛；就是在巨头企业内部也在进行整合。如卡特彼勒公司虽然有几十个工程机械厂，但动力换档变速器则集中在公司所属的东皮奥里亚工厂生产。这样，箱体加工广泛使用柔性生产线，柔性加工单元、齿轮加工、行星轮架的加工、离合器壳体的加工以及齿轮热处理，均采用高效设备。各厂液压缸集中在朱利叶工厂制造，驱动桥集中在奥罗拦工厂制造。又如利勃海尔公司也有几十个工程机械厂，但回转支承、液压油缸除部分外购外，大部分集中在克希道夫挖掘机厂中生产。通过专业化生产来使关键零部件的制造形成一个合理的经济规模，同时确保部件质量和依托部件实现企业本身的技术特色。
3）液压技术与电子控制技术不断融合，造成一些液压公司与电子技术公司的联合。如著名的REXROTH公司与BOSCH公司的合并。
4）当地化生产，缩短订货和交货时间，生产接近用户，发达国家的制造中心重心向亚洲和拉美转移国家。
2.2 技术发展现状与趋势
1）注重关键部件与主机的集成设计，以及进一步提高零部件的标准化和通用化率，最大限度地简化维修，这是国外工程机械先进技术发展的一个重要标志。
2）以电子、信息技术为先导，全面严格排放及环境保持标准，实现人、机与环境三者的高度和谐统一。如日本小松（Komatsu）公司全面推行的工程机械全寿命周期和3R（Reduce， Reuse，Recycle）计划，明确提出了减少工程机械产品对环境影响的中期技术发展目标：从2005年，CO排放降低5%，到 2010年降低10％；到2005年，关键基础件再循环使用率达97％，到2010年这一指标要超过99.5％。美国CAT公司推出了被世界上认为最清洁的新系列发动机，CUMMINS公司也提出了面向欧Ⅳ标准的排放解决方案。
3）主机作业参数及各关键部件状态得到在线检测、故障诊断及控制，而且其可靠性大为提高。
4）液压技术继续朝着高压、大流量、大功率、静动态特性好的闭式环发展，且结构简单、重量轻、成本低、可靠、耐用的高水平方向发展。进一步与微电子技术结合，最大限度地提高功率利用率，减少无用功消耗，并广泛静液压传动技术。下表3为国外采用静压技术的现状液压元件，其发展主要表现在泵的变量形式上，并始终是围绕”节能”二字做文章。而柱塞泵与电子技术结合是围绕泵的变量控制形式进行的。目前柱塞泵的变量形式已包括手动伺服、手轮控制、恒功率控制、恒压变量、负荷传感变量、恒功率-恒压变量、计算机控制比例变量等多种方式，以适应各类主机的不同需求，达到现代工程机械操作舒适和节能的目的。
2.3 我国”九五”、”十五”取得成果与基础 “九五”以来，工程机械主机厂家和零部件企业在以往陆续引进的一些国外先进技术的基础上，不断进行适应性改进和攻关，如潍坊柴油机厂引进的STYPE柴油机技术，四川齿轮厂1989年引进的美国卡特彼勒公司的动力换档变速器、液力变矩器技术，杭州前进齿轮箱集团1992年引进的德国ZF公司180型变速器技术，北京、沈阳、大连、贵州等地厂家大量引进的德国力士乐技术，浙江临海海宏集团引进美国、日本技术研制开发的各种液压阀等，投入资金进行技术改造，不断提高产品可靠性。众多的柴油机生产厂家，为了提高设计、制造水平和产品质量，近来先后又引进了国外先进的生产制造技术，如二汽与康明斯合作生产东风康明斯（Cummins）柴油机、天动与珀金斯（Perkins）合作生产珀金斯柴油机、上柴引进卡特技术生产C6121柴油机以及参考康明斯柴油机技术并与奥地利AVL技术公司等合作，推出了新一代生产D114系列柴油机，潍柴合作生产道依茨柴油机等。柳工集团1995年与德国ZF公司合资生产电控变速器，徐工集团与德国PAT公司合资生产工程机械控制元件等。所有这些，大大提高了如柴油机、动力换档变速器、液压件和控制元件等产品的技术水平和质量，现在成为是支撑市场的主要力量。为了从根本上改变国内企业低水平的恶性竞争，和走出”引进-消化-再引进-再消化”的简单重复过程，使企业具备创新和可持续发展能力，国家863机器人主题在实施了”九五”项目”机器人化工程机械”和”十五”项目”机群智能化工程机械”。应该说，这些项目已取得了很大成效，而且正在取得成效，研制开发了机、电、液、讯一体化等一批核心技术，推出了一批在市场上有突破性的产品，取得了很大的经济效益和社会效益。但，接下来有很多深层次的问题就归根到了关键基础部件上了，特别是机电液一体化的智能型关键部件上。高性能的国产主机，必须要有高性能价格比的国产关键部件作为支撑，才能实现大批量推向市场、与国外大公司进行竞争的目的。为了最大程度发挥这两个项目的效益和作用，有必要沿着其研究方向进行深化，在”十五”期间延伸到智能化工程机械关键部件上去。
3 制约国内基础部件发展的关键问题虽然工程机械零部件已经形成了全国性、地区性和企业性三个层次的专业化生产销售和配套网络，改革开放以后引进了一大批关键基础零部件制造技术，也有了诸如柴油机、回转支承、驱动桥、四轮一带、驾驶室、油缸、液压元件、动力箱、仪表和仪表盘等一批具有一定质量和技术水平的产品。特别是近几年来加快了合资合作的步伐，行业中出现了一批质量可靠，技术先进，服务完善的零部件新产品，但和主机产品的发展以及市场需求相比，零部件行业无论是生产规模、技术水平、市场占有率、产品档次、质量可靠性、价格走势和经济效益等与国外跨国公司相比都还存在着非常大的差距。

黄牛 · 发表于 2009-4-13 20:54:41

3.1 技术问题与国外先进产品相比，国产工程机械关键基础部件，无论在技术性能，还是在质量可靠性指标上，总体上要相差20年左右。寿命一般为进口件的1/2～1/3，产品品种仅为国外的1/5。国产工程机械基础部件企业规模小，结构散，智能化水平不高、整体竞争力弱；中低档产品产能过剩，部分大型、特型、高性能产品无法生产。据统计，国产工程机械在市场上出现的质量问题，70%以上是由零部件质量问题造成的。零部件生产企业的产品研发能力较之主机厂更弱，试验手段传统而且落后，很少有先进完善的工艺设备能力作为发展的基础，目前还是基本停留在对引进技术的消化吸收和对同类产品的模仿复制阶段。各企业一方面是大路货产品低水平重复投资、重复建设的现象严重，另一方面技术附加值高的高档次产品品种少，不能满足主机发展的需求，产品结构性短缺的矛盾依然存在。在采用高新技术上，差距就更大了：

1）一些国外柴油机近几年采用的排放控制技术虽在少数国产柴油机上也有应用，且最新开发投产的柴油机产品的排放水平已经达到欧Ⅰ排放限值要求，一些甚至可以达到欧Ⅱ排放限值要求。但柴油机总体技术状况落后于国外，许多国外已经普遍采用的技术，如ATAAC（空-空后冷却系统）、电子控制与机械驱动的喷射系统（EUI）、共轨燃料系统等，在我国仍处于研究阶段，有些甚至仍是空白。国外发动机已广泛采用第三代的电喷系统，即共轨燃油喷射系统（common-rail fuel system），满足欧Ⅳ排放标准的环保动力，而国产发动机仍在为满足欧Ⅱ排放标准而苦苦探索。

2）在变速器上，欧美等发达国家的工程变速器均采用系列化，通用化设计。如美国的卡特彼勒公司和丹纳（Dana）公司及德国的ZF公司均生产系列化、通用化程度很高的变速器产品。同一系列和不同系列之间通过增减离合器、摩擦片数及不同的齿轮搭配来获得不同挡位和速比，不同适用功率的变速器。变速器的操纵系统已从手动（机液）控制系统发展到电液控制或微机控制系统。如ZF公司的WG系统变速器普遍采用了电液控制，根据不同用户的要求，可以选用微处理器控制的半自动和自动换挡控制系统。国内生产的变速器产品以测绘和仿制为主，技术含量低，产品的可靠性、舒适性和寿命、特别是变速器的控制系统与国外的差距还不小，许多产品相当于国外20世纪六、七十年代的水平。

3）在高效液压元件与系统上，液压技术的落后主要体现在系统等级和电控化两方面。国外系统压力基本为25～30 MPa，而国内为15～20 MPa。国外工程机械已广泛采用的负荷传感、电液比例、机电信一体化等技术，为主机厂大量配套的液压件产品，如伺服阀、比例阀、比例伺服阀等，国内仍处于起步阶段。国外液压技术是机械产值的2%～3.5%，而我国只占1%左右。2002年，世界液压元件的总销售额为350亿美元，国内不足1亿美元。

4）在智能控制器与控制系统上，国外已将传感技术、自动控制技术、位置识别诱导技术、网络技术、现场总成技术广泛地应用于产品，自动化水平高，如CAT 980G装载机内部装有三个智能型控制器，分别实现工作装置的电液比例控制。电控变速器控制及故障检测与诊断功能，德国宝马公司压路机装有智能型控制器，该控制器可根据物料的密实度变化自动选择最佳振幅及振幅方向，而我国大多城建设备尚处于起步阶段，对先进技术的研究尚有一定距离，关键技术没有掌握。国产控制器与国外产品的差距，主要表现在质量和技术先进性两个方面：国产控制器可靠性不高、抗干扰能力差，平均无故障时间仅是国外的1/5～1/3，国产控制器功能少，水平低，有些普遍应用的控制器的核心部份仍为进口，具有独自知识产权的控制器很少，对行业的影响不大，离产业化的目标相差甚远。

3.2 装备问题由于在工程机械关键部件上的战略重视不够，造成企业在重大技术改造的投入严重不足。而国外的关键部件企业设备要好于普通主机企业，有些还拥有全球独一无二、特别设计定制的昂贵专机。工业发达国家已普遍采用数控机床、加工中心，实现了柔性自动化，已向智能化和集成化方向发展。而我们各个零部件企业的工艺技术水平参差不齐，先进的技术装备较少，厂房设备大多陈旧。不但与国外大公司不能比，甚至与我国其他行业的基础零部件生产企业相比也有相当的差距，缺乏发展后劲。在关键零件齿轮等加工装备上，一些厂家引进了先进的热处理渗碳、淬火生产线，加工中心和磨齿机等高精度设备，但总体上同国外尚有较大的差距，我们的大多数设备已陈旧老化，一些机床在超期服役，与国外机床的普遍CNC化、柔性化生产相比差距甚远，另外我们的检测设备和试验装备也相对落后。国外关键零部件的加工平均数控率已超过92%，ＣＮＣ技术、新材料、新工艺广泛采用，大大提高了零部件的产品质量、寿命和可靠性。我国关键零部件的加工平均数控率仅达到10%，个别企业达到20%左右。当我国正在推广应用NC机床时，国外已开始淘汰NC机床，大量采用CNC机床、工业机器人和柔性加工系统（FMC、FMSＳ），从而促进了生产率和产品质量的提高。 3.3 机制问题

1）零部件生产企业组织结构松散，集中度较低，产品趋同化严重，缺乏能够支撑和带动零部件行业发展和结构优化升级的大企业，特别是缺乏拥有自主知识产权、主业突出、核心竞争力强的大企业和企业集团。各主机厂为自身发展和控制的需要大多仍旧坚持历史原因形成的大而全和小而全的落后生产方式，关注的重点在主机的发展上面，而使零部件的发展缓慢迟滞。主机厂应着力于帮助稳定围绕自已发展的零部件配套商的技术水平进步和产品质量的提高，给他们提供详细的改进要求，必要的设计开发图纸、专利或专有技术、生产制造专用工装以及检测试验手段，进行必要的质量认证。而配套商负有专供产品和保护知识产权的责任。只有这样，才能够真正使配套商与主机厂团结一致，把所有的利益都捆在一起，唇齿相依，共同发展。

2）零部件厂必须整合规模，提高水平，进行技术改造和结构调整，解决经营规模的问题，解决产品趋同化和集中度低的问题。向规模经济发展才是根本出路。

3）应认识到零部件企业的发展同样也要解决专业化的问题，专业化生产是机械工业向大工业发展的必由之路，基础零部件厂也应该抛弃在计划经济时代形成的小而全的落后生产方式，不能够单纯地为扩大规模而失去企业和产品的特色，也有一个努力培育和发展自己核心竞争力的问题。在把零部件制造的核心技术和关键工序牢牢控制在手中的同时，也要把普通的加工、一些基础的工艺以及不具备规模的部件拿出去，交给比自己做的更好的专业化厂去做，以获得较好的产品质量、更高的效率和较低的成本。

4 国内工程机械关键基础部件下一步的技术目标与方向

4.1 清洁动力装置及其关键技术

1）柴油机低油耗（燃油、机油）、废气低排放（欧Ⅲ以上）、低噪声技术的应用开发。

2）共轨燃油喷射系统（common-rail fuel system）、电控柴油机及特种清洁动力装置的开发。

3）我国目前缺少的重、大型工程机械配套用柴油机（功率300~400hp，转速1800~2100rpm，排量12~13L）开发。

4）柴油机上适应工程机械智能化控制；柴油机故障远程诊断；提高操作人员合适性技术等匹配辅助技术的应用开发。

5）提高适应工程机械在我国特种环境地区（高原＞海拔4000 m、沙漠、湿热、低寒）可靠进行的匹配技术。

6）提高适应工程机械比较恶劣工作条件的冷却、电器、起动、进排气、传动等专用附件可靠性技术和品质优化。

7）提高柴油机与工程机械总体匹配技术水平研究（动力性、经济性、可靠性等方面）。

4.2 计算机控制换挡变速器

1）加强对工程车辆载荷谱的测试和研究，确定变速器载荷谱，为开发系列化液力变速器打好基础。

2）研究性能先进、结构合理、适应我国工程机械发展趋势的变速器系列型谱，并根据系列型谱进行开发攻关，逐步完成整个工程车辆变速器系列开发。变速器应采用系列化、通用化设计、电液控制，能实现半自动或自动换挡，换挡品质高、性能可靠。根据主机的配置要求，可实现电子监控、故障诊断等功能。

3）进行电液控制操纵阀的研究攻关。这是液力变矩器的关键技术之一。

4）进行动力换挡半自动和自动控制系统（微处理器控制）的研究和攻关，这是变速器实现半自动、自动换挡，并实现电子监控和自动故障诊断的关键。

5）进行各种挡位选择器的研究开发，以满足不同工程车辆的变速器换挡要求。

6）进行大型工程车辆的液力变速器的开发攻关。

4.3 节能高效液压元件及系统

1）电液比例组合阀：工程机械中高新技术新产品和随着市场要求的越来越高而技术升级的产品中，大量使用电液比例阀，这种阀与定量泵组合使用可减少液压系统的溢流损失、达到压力匹配的目的；与负载敏感变量泵组合使用，可实现压力流量匹配，更多地减少液压系统的能量损失；除此之外，电液比例组合阀可使多个执行元件同时动作且互不干扰，并以各自的速度工作；而且执行元件运动的速度跟操作者的输入一致，操作手感好、易于实现精细控制。

2）多种控制形式的变量柱塞泵（特别是大中排量液压泵）。多种控制形式：如恒压、恒功率、负载传感、电液比例以及上述控制形式的任意组合，用户可根据使用场合和需要达到目的方便地选择。大大减少液压系统元件数量，简化液压系统设计，易于实现主机智能化。

3）静压驱动技术及其关键元件。工程机械的技术发展使得其液压系统必然向高压、节能、智能化、自动化、静液化方向发展，以降低噪声和振动，减少外部泄漏，发展无泄漏系统，提高产品清洁度，保证产品可靠度，实现故障诊断以便于维护。

4.4 智能控制器及其控制系统

1）多传感器与CAN总线控制技术：传感器技术是促进智能化关键技术之一，国外一台先进设备上装有几十只，甚至几百只传感器，传感器种类多，采集的范围也越来越广，必须加紧传感器技术的新材料、新工艺、使用寿命、抗干扰能力及智能化方面的研究。

2）电子控制理论：目前国外广泛采用最优控制方法，也有采用自适用，模糊控制方法，因此必须对控制理论进行研究，为编制和优化软化打下基础，这也是控制技术的重点与难点。

3）位置诱导与识别技术：有些城建施工设备必须按照设定路线或轨迹作业，如果位置识别能确认其在作业中偏离既定路线，控制器应能自动进行纠编或复位。

4）网络通讯及远程诊断技术：将网络技术应用于设备内部各电子系统间的连接和通讯。采用网络式结构，可减少线路连接，提高系统可靠性，可实时诊断、测试和报警，实现集中显示、历史查询和自诊断功能，电器信号传递性质由功率型转变为”逻辑”型，通过网络通信还可实现机械故障远程诊断，节约维修时间及成本。

5）物性、作业对象的认识及评价技术。

龙当行天下 · 发表于 2010-2-4 12:51:16

了解了！谢谢

niuhaoliang · 发表于 2010-2-23 20:30:15

长见识了啊！

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