工程機(jī)械試驗(yàn)研究的作用與意義

[摘 要] 工程機(jī)械多功能試驗(yàn)臺(tái)是工程機(jī)械工作裝置與作業(yè)介質(zhì)相互作用研究的重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備。本文結(jié)合“工程機(jī)械多功能試驗(yàn)臺(tái)”的研制項(xiàng)目，在了解和綜合國(guó)內(nèi)外工程機(jī)械試驗(yàn)設(shè)備的研究狀況與發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)工程機(jī)械多功能試驗(yàn)臺(tái)的主要功能、性能要求進(jìn)行了分析，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的總體方案和各部分的實(shí)施方案進(jìn)行了研究、探討。

[關(guān)鍵詞] 試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)

近年來(lái)，我國(guó)的公路建設(shè)一直在迅速的發(fā)展，特別是我國(guó)目前正在努力進(jìn)行聲勢(shì)浩大的西部大開(kāi)發(fā)，要把占我國(guó)國(guó)土面積71.4%、人口為3.5億的西部地區(qū)發(fā)展起來(lái)，逐漸與東部發(fā)達(dá)地區(qū)相接軌，最首要的問(wèn)題之一就是交通問(wèn)題，而要解決交通問(wèn)題就得修建大量的公路，這就使工程機(jī)械需求量也迅速增加，所以工程機(jī)械面臨前所未有的機(jī)遇及技術(shù)挑戰(zhàn)。在施工過(guò)程中，施工機(jī)械很容易受到外界因素的影響,如施工時(shí)的天氣、施工時(shí)的環(huán)境等方面的影響，給施工質(zhì)量和進(jìn)度造成一定的影響。例如：在高原作業(yè)的工程機(jī)械就必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上加以改進(jìn)以適應(yīng)高原地區(qū)大氣壓力低、空氣稀薄含氧量低、凍土層厚、氣候干燥、風(fēng)沙塵土大等特殊環(huán)境。我國(guó)對(duì)公路質(zhì)量要求的提高也對(duì)現(xiàn)有的工程機(jī)械提出了挑戰(zhàn)。因此，必須對(duì)工程機(jī)械做技術(shù)性改進(jìn)，讓其既能適應(yīng)各種復(fù)雜多變的工作環(huán)境又能滿足高質(zhì)量公路的要求。對(duì)工程機(jī)械的技術(shù)改進(jìn)應(yīng)該以大量試驗(yàn)為依據(jù)[1]。

1.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

我們可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)工程機(jī)械的各項(xiàng)技術(shù)性能進(jìn)行研究，而使機(jī)器在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的條件下進(jìn)行試驗(yàn)并且直接測(cè)定并記錄能夠反映機(jī)器動(dòng)態(tài)性能的各項(xiàng)參數(shù)的時(shí)域函數(shù)的試驗(yàn)就是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是，試驗(yàn)是在實(shí)際工作條件和實(shí)際工況下進(jìn)行的，這樣做出的試驗(yàn)結(jié)果將會(huì)最為真實(shí)地反映機(jī)器的實(shí)際作業(yè)性能。而且由于不需要很復(fù)雜的模擬加載裝置，所以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所要求的試驗(yàn)手段就會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單的多。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的缺點(diǎn)是，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件比較惡劣這樣就會(huì)限制某些精密儀器的使用；因?yàn)槊看维F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的條件很難達(dá)到完全相一致，所以其結(jié)果的可比性及重復(fù)性也就相對(duì)比較差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谝蟊３脂F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件一致性的同時(shí)，又要盡可能保證重復(fù)多次進(jìn)行同一的試驗(yàn)過(guò)程。而保證土質(zhì)條件的一致性和機(jī)器的作業(yè)方法得模型化則是為了保持各種試驗(yàn)條件的一致性，這個(gè)可按圖1.1所示之作業(yè)模型進(jìn)行工作。在圖中整個(gè)工作循環(huán)被分解為鏟刀切入、定深集土、鏟刀退出、水平運(yùn)土、卸土、倒退等工序組成。在推土機(jī)作業(yè)時(shí)，各工序所占有的水平距離應(yīng)盡可能保持規(guī)定之?dāng)?shù)值，推土過(guò)程應(yīng)盡量保持滿鏟作業(yè)和最大的運(yùn)土量，各工序之速度檔位應(yīng)保持一定[2]。

然而就算嚴(yán)格控制使各種實(shí)驗(yàn)條件盡可能一致，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)它的隨機(jī)性仍很大這是由于現(xiàn)場(chǎng)條件下這樣或那樣等偶然因素的影響還是相當(dāng)大的。所以，如果采用現(xiàn)場(chǎng)方法就必須多次重復(fù)同一的試驗(yàn)過(guò)程，以便于能從概率統(tǒng)計(jì)特性的角度來(lái)描述機(jī)器的動(dòng)態(tài)牽引性能。在利用這一方法時(shí)，一個(gè)重復(fù)的問(wèn)題是：確定最少需要多少試驗(yàn)樣本，才能顯示出試驗(yàn)總體的概率統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。顯然，這是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程的平穩(wěn)性檢驗(yàn)問(wèn)題。

盡管我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下所取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)離散性，但是使同一試驗(yàn)過(guò)程重復(fù)多次進(jìn)行還是可以從概率統(tǒng)計(jì)特性得出結(jié)論，這也將為我們?nèi)斯つM機(jī)器的負(fù)荷工況提供最原始的數(shù)據(jù)和依據(jù)，以便在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行更為深入的實(shí)驗(yàn)研究。

從對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)的分析中我們可以得出，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并不能完全滿足工程機(jī)械工作裝置的試驗(yàn)要求，所以有必要進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，并研制室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2.室內(nèi)試驗(yàn)

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)無(wú)法克服的缺陷，所以現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)顯著的發(fā)展特征就是要求有相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)可以將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)移至實(shí)驗(yàn)室來(lái)加以重復(fù)實(shí)現(xiàn)。模擬加載的特點(diǎn)是一方面可以使同一的試驗(yàn)條件可以重復(fù)出現(xiàn)多次，另一方面又能保證試驗(yàn)條件的隨機(jī)性，因而完全相同的隨機(jī)作用可以作用于不同的機(jī)器，這將使試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的可比性在很大程度上得到改善。

室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫谋ＷC同一的負(fù)荷工況和試驗(yàn)條件且能使其重復(fù)出現(xiàn)，這是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的明顯優(yōu)點(diǎn)；室內(nèi)試驗(yàn)可以使精密的儀器設(shè)備得到很好的使用，而在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，由于惡劣的環(huán)境所以使得精密儀器的使用受到很大的限制[3]；而且在室內(nèi)試驗(yàn)我們可以保持某些因素不變，而人為的變動(dòng)其他因素，這樣可以更好的分析某個(gè)特定的因素對(duì)機(jī)器性能的影響。

室內(nèi)試驗(yàn)的缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)不可能做到完全復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)的使用條件和負(fù)荷工況，特別是行走機(jī)構(gòu)與地面之間的相互作用。此外，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)通常需要復(fù)雜的試驗(yàn)臺(tái)架和昂貴的設(shè)備投資[3]。

3.國(guó)內(nèi)外工程機(jī)械試驗(yàn)研究的現(xiàn)狀

為了改進(jìn)工程機(jī)械的性能和提高作業(yè)質(zhì)量，要求對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，另外，當(dāng)今出現(xiàn)的許多路面施工新技術(shù)，例如RCC路面的鋪筑技術(shù)，沙漠道路施工機(jī)械、雙滾筒烘干拌和、烘干篩分組合技術(shù)、振動(dòng)拌和技術(shù)、新的振蕩壓實(shí)和沖擊碾壓技術(shù)、路面再生技術(shù)等等，都需要從工作裝置與介質(zhì)相互作用的試驗(yàn)研究中獲得理論上的支持，以便更好地掌握它，并進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展，使之應(yīng)用到工程技術(shù)中去。

國(guó)內(nèi)早期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)用的機(jī)器動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái)，既可以是供整機(jī)試驗(yàn)用的也可以是部件的（例如變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)等）的試驗(yàn)臺(tái)架。動(dòng)態(tài)性能是指機(jī)器在動(dòng)態(tài)工作載荷不斷變化的條件下所顯示出來(lái)的燃料經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。而供整機(jī)試驗(yàn)來(lái)用的臺(tái)架，最常見(jiàn)的形式是履帶式或轉(zhuǎn)鼓式試驗(yàn)臺(tái)。這種試驗(yàn)臺(tái)是按相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可逆性原理制成的。機(jī)器在試驗(yàn)臺(tái)上將停著不動(dòng)，而地面則以行駛著的轉(zhuǎn)鼓或履帶的形式向機(jī)器的后方移動(dòng)。為了保持機(jī)器不向前運(yùn)動(dòng)，在水平面內(nèi)通過(guò)測(cè)力計(jì)將它固結(jié)在不動(dòng)的機(jī)架上。機(jī)器的有效牽引力即由這一測(cè)力計(jì)感受，而在轉(zhuǎn)鼓或履帶鏈輪的輸出軸上則裝有制動(dòng)裝置，可進(jìn)行加載和測(cè)功。機(jī)器行駛時(shí)的風(fēng)阻力可以利用風(fēng)洞來(lái)模擬，氣候條件可以通過(guò)人工氣候室來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是不好人工模擬行走機(jī)構(gòu)與地面間的滑轉(zhuǎn)和附著狀態(tài)是這類(lèi)試驗(yàn)臺(tái)架的共同缺點(diǎn)。此外，由于履帶和轉(zhuǎn)鼓的巨大慣量，所以想要很好的模擬變化迅速的負(fù)荷工況也是非常困難的。所以，進(jìn)行相對(duì)較穩(wěn)定的牽引性能試驗(yàn)時(shí)我們采用整機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)，而用總成試驗(yàn)臺(tái)架來(lái)研究機(jī)器的動(dòng)態(tài)性能。

研究工程機(jī)械工作裝置與介質(zhì)相互作用過(guò)程的物理、力學(xué)本質(zhì)是工程機(jī)械設(shè)計(jì)和使用的理論基礎(chǔ)，對(duì)于強(qiáng)化機(jī)器的作業(yè)過(guò)程、提高生產(chǎn)效益、工作性能和作業(yè)質(zhì)量，以及創(chuàng)造全新的工作過(guò)程是十分重要的。因此，長(zhǎng)期以來(lái)一直是國(guó)內(nèi)道路施工機(jī)械科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要研究方向。

多年來(lái)工程機(jī)械動(dòng)態(tài)性能研究主要集中在鏟土運(yùn)輸機(jī)械的牽引作業(yè)過(guò)程，但對(duì)于許多工程機(jī)械來(lái)說(shuō)機(jī)器的加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向的動(dòng)力學(xué)過(guò)程同樣具有重要意義。此外，某些工程機(jī)械，例如對(duì)路面鋪筑機(jī)械來(lái)說(shuō)，工作阻力的波動(dòng)主要并不在于影響機(jī)器的生產(chǎn)率或功率利用，而更重要的是對(duì)作業(yè)質(zhì)量的影響。工程機(jī)械工作裝置與介質(zhì)相互作用機(jī)理和作業(yè)質(zhì)量控制是研究機(jī)器作業(yè)過(guò)程中工作裝置與介質(zhì)相互作用的規(guī)律、工作裝置作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化和作業(yè)質(zhì)量的控制方法與技術(shù)。工程機(jī)械工作裝置與作業(yè)介質(zhì)相互作用的研究作為原有動(dòng)態(tài)性能研究的延續(xù)、擴(kuò)展和深化，一方面可在研究鏟土運(yùn)輸機(jī)械動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上將某些成果移植至其它工程機(jī)械上去，另一方面可根據(jù)不同機(jī)械的工作特點(diǎn)作出進(jìn)一步的發(fā)展，并開(kāi)拓出一系列新的研究課題來(lái)[4]。

國(guó)外對(duì)工程機(jī)械試驗(yàn)也很重視。例如日本建設(shè)機(jī)械化研究所，它是日本建設(shè)機(jī)械化協(xié)會(huì)的下屬組織，成立于1964年10月。該所是為建設(shè)工程機(jī)械化健康發(fā)展而設(shè)立的制造廠家與用戶(hù)共同的試驗(yàn)機(jī)關(guān)，負(fù)責(zé)建設(shè)機(jī)械與機(jī)械化施工的綜合性實(shí)驗(yàn)研究。該所最初以建設(shè)機(jī)械的性能試驗(yàn)為業(yè)務(wù)中心，隨著時(shí)間的推移業(yè)務(wù)內(nèi)容逐漸擴(kuò)展，最近已擴(kuò)大到建設(shè)機(jī)械化的全部領(lǐng)域。研究所在實(shí)施研究過(guò)程中，將理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)計(jì)測(cè)、模擬試驗(yàn)與實(shí)體試驗(yàn)、野外作業(yè)與室內(nèi)分析等手段相結(jié)合同步進(jìn)行。為了便于開(kāi)展實(shí)型試驗(yàn)，該所擁有包括周長(zhǎng)為800m的實(shí)驗(yàn)跑道、巖石試驗(yàn)場(chǎng)地、松軟地基試驗(yàn)場(chǎng)地等試驗(yàn)廠區(qū)。

前蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代中期以國(guó)立拖拉機(jī)研究所為主，開(kāi)始大力加強(qiáng)農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)牽引動(dòng)力學(xué)之理論和試驗(yàn)方法的研究。這一新的研究方向向工程機(jī)械領(lǐng)域的擴(kuò)展，首先涉及像自動(dòng)平地機(jī)那樣的連續(xù)作業(yè)式鏟土運(yùn)輸機(jī)械。對(duì)于這些機(jī)械來(lái)說(shuō)，比較容易借助于農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)牽引動(dòng)力學(xué)研究的許多結(jié)果。對(duì)于像推土機(jī)那樣的循環(huán)作業(yè)或鏟土運(yùn)輸機(jī)械，由于作業(yè)方式存在著一系列不同于連續(xù)作業(yè)機(jī)械的特點(diǎn)，機(jī)器的動(dòng)態(tài)過(guò)程也有著許多不同于后者的特殊性。因此，直接引用農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)在這一領(lǐng)域的某些現(xiàn)成結(jié)論，顯然是不適宜的。這就需要很好地研究推土機(jī)實(shí)際作業(yè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的特點(diǎn)。關(guān)于循環(huán)作業(yè)鏟土運(yùn)輸機(jī)械牽引動(dòng)力學(xué)和動(dòng)態(tài)性能方面的系統(tǒng)研究，在國(guó)外是20世紀(jì)80年代初才開(kāi)始的，在這方面我國(guó)的研究工作開(kāi)展得也不晚，并已取得了一些初步的結(jié)果。

因?yàn)橐簤杭夹g(shù)及可更換連接裝置的誕生使現(xiàn)在工程機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)在朝著系列化、特大型化發(fā)展的同時(shí)，已進(jìn)入多用途、微型化的發(fā)展階段。而且電子化與信息互動(dòng)也被更多的應(yīng)用于工程機(jī)械中。為了進(jìn)行這方面的試驗(yàn)研究，所以這就要求工程機(jī)械室內(nèi)試驗(yàn)及裝備必須能滿足這方面的要求。

4.室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備課題的提出及課題的意義

國(guó)內(nèi)最大的室內(nèi)土槽試驗(yàn)室，該土槽試驗(yàn)室可以進(jìn)行原型試驗(yàn)或工程機(jī)械模型試驗(yàn)這在國(guó)內(nèi)也是少有的，該土槽試驗(yàn)室能進(jìn)行各種工程機(jī)械工作裝置與工作介質(zhì)相互作用過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，利用該土槽試驗(yàn)室已完成多項(xiàng)省部級(jí)重大科研項(xiàng)目，其研究成果在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，所以今后應(yīng)該繼續(xù)充分利用該土槽試驗(yàn)室。

隨著科學(xué)研究層次的逐步深入和研究范圍的不斷擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)室原有的工程機(jī)械工作裝置模擬試驗(yàn)設(shè)備已不能滿足需要，其原因是原試驗(yàn)設(shè)備的動(dòng)力僅為20kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前大功率工程機(jī)械試驗(yàn)的需要；原試驗(yàn)設(shè)備為電力傳動(dòng)，受其速度特性和動(dòng)力特性的限制，無(wú)法模擬當(dāng)今流行的工程機(jī)械全液壓傳動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速控制，速度穩(wěn)定性及動(dòng)力自適應(yīng)性差；受機(jī)重、功率及行走機(jī)構(gòu)形式的限制，其牽引力無(wú)法滿足大負(fù)荷鏟土運(yùn)輸機(jī)械工作過(guò)程模擬的需要；該設(shè)備所附設(shè)的能進(jìn)行試驗(yàn)的工程機(jī)械工作裝置種類(lèi)太少，目前僅有振動(dòng)振蕩壓實(shí)輪和拌和銑刨轉(zhuǎn)子兩種，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足多種工程機(jī)械工作裝置與工作介質(zhì)相互作用過(guò)程研究的需要。目前需要增加公路施工的常用工作裝置，尤其是要增加特殊土壤壓實(shí)裝置和隨車(chē)密實(shí)度檢測(cè)系統(tǒng)；原設(shè)備機(jī)架橫梁剛度不夠，運(yùn)行時(shí)變形抖動(dòng)較大，無(wú)法承受大負(fù)荷工作裝置的工作阻力。

為了更好的進(jìn)行工程機(jī)械動(dòng)態(tài)牽引性能研究、地面力學(xué)與行駛理論研究、工作裝置與介質(zhì)相互作用理論研究、作業(yè)質(zhì)量控制研究等，非常有必要研制工程機(jī)械多功能試驗(yàn)臺(tái)。而且試驗(yàn)臺(tái)車(chē)應(yīng)該具有以下幾大功能：可以提供動(dòng)力源為多種工作裝置；可以懸掛多種工程機(jī)械的工作裝置，并可以對(duì)工作裝置的性能參數(shù)及作用機(jī)理進(jìn)行研究及優(yōu)化；可以作為負(fù)荷臺(tái)車(chē)作用于各種牽引車(chē)，且能施加各種牽引負(fù)荷對(duì)各工程車(chē)輛。

建立和研制工程機(jī)械多功能試驗(yàn)臺(tái)具有非常重要的意義。首先，工程機(jī)械各工作裝置與其作業(yè)介質(zhì)（如材料、土壤）的作業(yè)質(zhì)量控制、性能參數(shù)的選擇、作業(yè)機(jī)理都是一個(gè)擁有著廣闊市場(chǎng)前景且具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值的研究領(lǐng)域，但這在國(guó)內(nèi)同行的研究中并不多見(jiàn)；其次，為了使我國(guó)的工程機(jī)械專(zhuān)業(yè)緊跟世界先進(jìn)水平繼就必須關(guān)注工程機(jī)械行業(yè)新的技術(shù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

陰俊霞（1983.6-），女，山西夏縣人，碩士研究生，助教，研究方向：筑路機(jī)械。