工程機械關鍵基礎部件技術發展展望---討論

黃牛 · 發表于 2009-4-13 20:52:35

寫的非常不錯，對工程機械及其關鍵零部件的發展分析的非常透徹。歡迎大家繼續討論。

作者：徐工集團科技部　馬鑄

工程機械，是機械工業一個重要行業，其發展水平直接影響和制約到交通運輸建設、能源開發、工業與民用建筑業等城鎮基礎設施建設，成為國家進行現代化建設的主力軍和先行官。有無發達的工程機械制造業，已是經濟強國和發達國家的重要標記之一。而工程機械關鍵基礎部件是工程機械產品發展的基礎、支撐和制約瓶頸，當工程機械發展到一定階段后，行業高技術的研究主要聚集在發動機、液壓、傳動和控制技術等關鍵部件上。掌握和依托高質量的、有特色的關鍵基礎部件就成為制造企業核心競爭力的主要戰略之一。在國際上來看，工程機械及其關鍵基礎部件也屬于充分市場化了的戰略支柱產業。
1 工程機械關鍵基礎部件的重要作用和戰略意義現階段，戰略性的工程機械關鍵基礎部件主要是清潔動力裝置、高效液壓元件與系統、計算機控制的變速器、智能控制器等。 2000年～2002年的我國工程機械關鍵部件進出口情況如表1所示：據統計，目前，在我國生產的幾種典型工程機械中，關鍵部件（如發動機，變速器、液壓元件、控制及電器系統）占整機成本的平均比例如表2所示。關于國內工程機械關鍵基礎部件的競爭力，要首先從工程機械主機說起。在國際競爭力方面，國內工程機械企業仍然只是立足于國內市場，且在產品機種上競爭力逐漸分化。傳統機種，如裝載機、推土機、叉車、起重機、平地機等采用國產關鍵部件，同時利用規模和營銷手段，有著絕對的競爭優勢；一些機種如攤鋪機、混凝土機械、壓路機等采用國外先進關鍵部件，加之多年在引進技術基礎上的消化吸收和創新，相對產生了系統的路徑依賴，也有相當的競爭力；在一些大型產品、高智能化檔次產品和新興專業產品上，如6噸以上裝載機、220馬力以上推土機、工程鉆機等方面，沒有競爭力；在使用量日漸廣泛的典型土方設備–挖掘機上，由于控制技術及關鍵部件制造技術訣竅的缺乏，幾乎拱手相讓。關鍵部件的競爭力此時是與其相應配套主機相關的。
2 國內外發展現狀與趨勢
2.1 國外工程機械關鍵部件近幾年來的發展及趨勢
1）全球范圍的兼并重組加劇，生產集中度進一步提高。
2）專業化生產程度提高，越來越多的企業成為組裝廠，發動機、傳動系統、液壓系統、控制系統基本上包給專業廠生產，如生產發動機的美國CUMMINS公司、德國DEULTS公司，生產傳動件的德國ZF公司、美國ALLISON公司，生產液壓件的德國REXROTH公司、美國SAUER公司等發展日益迅猛；就是在巨頭企業內部也在進行整合。如卡特彼勒公司雖然有幾十個工程機械廠，但動力換檔變速器則集中在公司所屬的東皮奧里亞工廠生產。這樣，箱體加工廣泛使用柔性生產線，柔性加工單元、齒輪加工、行星輪架的加工、離合器殼體的加工以及齒輪熱處理，均采用高效設備。各廠液壓缸集中在朱利葉工廠制造，驅動橋集中在奧羅攔工廠制造。又如利勃海爾公司也有幾十個工程機械廠，但回轉支承、液壓油缸除部分外購外，大部分集中在克希道夫挖掘機廠中生產。通過專業化生產來使關鍵零部件的制造形成一個合理的經濟規模，同時確保部件質量和依托部件實現企業本身的技術特色。
3）液壓技術與電子控制技術不斷融合，造成一些液壓公司與電子技術公司的聯合。如著名的REXROTH公司與BOSCH公司的合并。
4）當地化生產，縮短訂貨和交貨時間，生產接近用戶，發達國家的制造中心重心向亞洲和拉美轉移國家。
2.2 技術發展現狀與趨勢
1）注重關鍵部件與主機的集成設計，以及進一步提高零部件的標準化和通用化率，最大限度地簡化維修，這是國外工程機械先進技術發展的一個重要標志。
2）以電子、信息技術為先導，全面嚴格排放及環境保持標準，實現人、機與環境三者的高度和諧統一。如日本小松（Komatsu）公司全面推行的工程機械全壽命周期和3R（Reduce， Reuse，Recycle）計劃，明確提出了減少工程機械產品對環境影響的中期技術發展目標：從2005年，CO排放降低5%，到 2010年降低10％；到2005年，關鍵基礎件再循環使用率達97％，到2010年這一指標要超過99.5％。美國CAT公司推出了被世界上認為最清潔的新系列發動機，CUMMINS公司也提出了面向歐Ⅳ標準的排放解決方案。
3）主機作業參數及各關鍵部件狀態得到在線檢測、故障診斷及控制，而且其可靠性大為提高。
4）液壓技術繼續朝著高壓、大流量、大功率、靜動態特性好的閉式環發展，且結構簡單、重量輕、成本低、可靠、耐用的高水平方向發展。進一步與微電子技術結合，最大限度地提高功率利用率，減少無用功消耗，并廣泛靜液壓傳動技術。下表3為國外采用靜壓技術的現狀液壓元件，其發展主要表現在泵的變量形式上，并始終是圍繞”節能”二字做文章。而柱塞泵與電子技術結合是圍繞泵的變量控制形式進行的。目前柱塞泵的變量形式已包括手動伺服、手輪控制、恒功率控制、恒壓變量、負荷傳感變量、恒功率-恒壓變量、計算機控制比例變量等多種方式，以適應各類主機的不同需求，達到現代工程機械操作舒適和節能的目的。
2.3 我國”九五”、”十五”取得成果與基礎 “九五”以來，工程機械主機廠家和零部件企業在以往陸續引進的一些國外先進技術的基礎上，不斷進行適應性改進和攻關，如濰坊柴油機廠引進的STYPE柴油機技術，四川齒輪廠1989年引進的美國卡特彼勒公司的動力換檔變速器、液力變矩器技術，杭州前進齒輪箱集團1992年引進的德國ZF公司180型變速器技術，北京、沈陽、大連、貴州等地廠家大量引進的德國力士樂技術，浙江臨海海宏集團引進美國、日本技術研制開發的各種液壓閥等，投入資金進行技術改造，不斷提高產品可靠性。眾多的柴油機生產廠家，為了提高設計、制造水平和產品質量，近來先后又引進了國外先進的生產制造技術，如二汽與康明斯合作生產東風康明斯（Cummins）柴油機、天動與珀金斯（Perkins）合作生產珀金斯柴油機、上柴引進卡特技術生產C6121柴油機以及參考康明斯柴油機技術并與奧地利AVL技術公司等合作，推出了新一代生產D114系列柴油機，濰柴合作生產道依茨柴油機等。柳工集團1995年與德國ZF公司合資生產電控變速器，徐工集團與德國PAT公司合資生產工程機械控制元件等。所有這些，大大提高了如柴油機、動力換檔變速器、液壓件和控制元件等產品的技術水平和質量，現在成為是支撐市場的主要力量。為了從根本上改變國內企業低水平的惡性競爭，和走出”引進-消化-再引進-再消化”的簡單重復過程，使企業具備創新和可持續發展能力，國家863機器人主題在實施了”九五”項目”機器人化工程機械”和”十五”項目”機群智能化工程機械”。應該說，這些項目已取得了很大成效，而且正在取得成效，研制開發了機、電、液、訊一體化等一批核心技術，推出了一批在市場上有突破性的產品，取得了很大的經濟效益和社會效益。但，接下來有很多深層次的問題就歸根到了關鍵基礎部件上了，特別是機電液一體化的智能型關鍵部件上。高性能的國產主機，必須要有高性能價格比的國產關鍵部件作為支撐，才能實現大批量推向市場、與國外大公司進行競爭的目的。為了最大程度發揮這兩個項目的效益和作用，有必要沿著其研究方向進行深化，在”十五”期間延伸到智能化工程機械關鍵部件上去。
3 制約國內基礎部件發展的關鍵問題雖然工程機械零部件已經形成了全國性、地區性和企業性三個層次的專業化生產銷售和配套網絡，改革開放以后引進了一大批關鍵基礎零部件制造技術，也有了諸如柴油機、回轉支承、驅動橋、四輪一帶、駕駛室、油缸、液壓元件、動力箱、儀表和儀表盤等一批具有一定質量和技術水平的產品。特別是近幾年來加快了合資合作的步伐，行業中出現了一批質量可靠，技術先進，服務完善的零部件新產品，但和主機產品的發展以及市場需求相比，零部件行業無論是生產規模、技術水平、市場占有率、產品檔次、質量可靠性、價格走勢和經濟效益等與國外跨國公司相比都還存在著非常大的差距。

黃牛 · 發表于 2009-4-13 20:54:41

3.1 技術問題與國外先進產品相比，國產工程機械關鍵基礎部件，無論在技術性能，還是在質量可靠性指標上，總體上要相差20年左右。壽命一般為進口件的1/2～1/3，產品品種僅為國外的1/5。國產工程機械基礎部件企業規模小，結構散，智能化水平不高、整體競爭力弱；中低檔產品產能過剩，部分大型、特型、高性能產品無法生產。據統計，國產工程機械在市場上出現的質量問題，70%以上是由零部件質量問題造成的。零部件生產企業的產品研發能力較之主機廠更弱，試驗手段傳統而且落后，很少有先進完善的工藝設備能力作為發展的基礎，目前還是基本停留在對引進技術的消化吸收和對同類產品的模仿復制階段。各企業一方面是大路貨產品低水平重復投資、重復建設的現象嚴重，另一方面技術附加值高的高檔次產品品種少，不能滿足主機發展的需求，產品結構性短缺的矛盾依然存在。在采用高新技術上，差距就更大了：

1）一些國外柴油機近幾年采用的排放控制技術雖在少數國產柴油機上也有應用，且最新開發投產的柴油機產品的排放水平已經達到歐Ⅰ排放限值要求，一些甚至可以達到歐Ⅱ排放限值要求。但柴油機總體技術狀況落后于國外，許多國外已經普遍采用的技術，如ATAAC（空-空后冷卻系統）、電子控制與機械驅動的噴射系統（EUI）、共軌燃料系統等，在我國仍處于研究階段，有些甚至仍是空白。國外發動機已廣泛采用第三代的電噴系統，即共軌燃油噴射系統（common-rail fuel system），滿足歐Ⅳ排放標準的環保動力，而國產發動機仍在為滿足歐Ⅱ排放標準而苦苦探索。

2）在變速器上，歐美等發達國家的工程變速器均采用系列化，通用化設計。如美國的卡特彼勒公司和丹納（Dana）公司及德國的ZF公司均生產系列化、通用化程度很高的變速器產品。同一系列和不同系列之間通過增減離合器、摩擦片數及不同的齒輪搭配來獲得不同擋位和速比，不同適用功率的變速器。變速器的操縱系統已從手動（機液）控制系統發展到電液控制或微機控制系統。如ZF公司的WG系統變速器普遍采用了電液控制，根據不同用戶的要求，可以選用微處理器控制的半自動和自動換擋控制系統。國內生產的變速器產品以測繪和仿制為主，技術含量低，產品的可靠性、舒適性和壽命、特別是變速器的控制系統與國外的差距還不小，許多產品相當于國外20世紀六、七十年代的水平。

3）在高效液壓元件與系統上，液壓技術的落后主要體現在系統等級和電控化兩方面。國外系統壓力基本為25～30 MPa，而國內為15～20 MPa。國外工程機械已廣泛采用的負荷傳感、電液比例、機電信一體化等技術，為主機廠大量配套的液壓件產品，如伺服閥、比例閥、比例伺服閥等，國內仍處于起步階段。國外液壓技術是機械產值的2%～3.5%，而我國只占1%左右。2002年，世界液壓元件的總銷售額為350億美元，國內不足1億美元。

4）在智能控制器與控制系統上，國外已將傳感技術、自動控制技術、位置識別誘導技術、網絡技術、現場總成技術廣泛地應用于產品，自動化水平高，如CAT 980G裝載機內部裝有三個智能型控制器，分別實現工作裝置的電液比例控制。電控變速器控制及故障檢測與診斷功能，德國寶馬公司壓路機裝有智能型控制器，該控制器可根據物料的密實度變化自動選擇最佳振幅及振幅方向，而我國大多城建設備尚處于起步階段，對先進技術的研究尚有一定距離，關鍵技術沒有掌握。國產控制器與國外產品的差距，主要表現在質量和技術先進性兩個方面：國產控制器可靠性不高、抗干擾能力差，平均無故障時間僅是國外的1/5～1/3，國產控制器功能少，水平低，有些普遍應用的控制器的核心部份仍為進口，具有獨自知識產權的控制器很少，對行業的影響不大，離產業化的目標相差甚遠。

3.2 裝備問題由于在工程機械關鍵部件上的戰略重視不夠，造成企業在重大技術改造的投入嚴重不足。而國外的關鍵部件企業設備要好于普通主機企業，有些還擁有全球獨一無二、特別設計定制的昂貴專機。工業發達國家已普遍采用數控機床、加工中心，實現了柔性自動化，已向智能化和集成化方向發展。而我們各個零部件企業的工藝技術水平參差不齊，先進的技術裝備較少，廠房設備大多陳舊。不但與國外大公司不能比，甚至與我國其他行業的基礎零部件生產企業相比也有相當的差距，缺乏發展后勁。在關鍵零件齒輪等加工裝備上，一些廠家引進了先進的熱處理滲碳、淬火生產線，加工中心和磨齒機等高精度設備，但總體上同國外尚有較大的差距，我們的大多數設備已陳舊老化，一些機床在超期服役，與國外機床的普遍CNC化、柔性化生產相比差距甚遠，另外我們的檢測設備和試驗裝備也相對落后。國外關鍵零部件的加工平均數控率已超過92%，ＣＮＣ技術、新材料、新工藝廣泛采用，大大提高了零部件的產品質量、壽命和可靠性。我國關鍵零部件的加工平均數控率僅達到10%，個別企業達到20%左右。當我國正在推廣應用NC機床時，國外已開始淘汰NC機床，大量采用CNC機床、工業機器人和柔性加工系統（FMC、FMSＳ），從而促進了生產率和產品質量的提高。 3.3 機制問題

1）零部件生產企業組織結構松散，集中度較低，產品趨同化嚴重，缺乏能夠支撐和帶動零部件行業發展和結構優化升級的大企業，特別是缺乏擁有自主知識產權、主業突出、核心競爭力強的大企業和企業集團。各主機廠為自身發展和控制的需要大多仍舊堅持歷史原因形成的大而全和小而全的落后生產方式，關注的重點在主機的發展上面，而使零部件的發展緩慢遲滯。主機廠應著力于幫助穩定圍繞自已發展的零部件配套商的技術水平進步和產品質量的提高，給他們提供詳細的改進要求，必要的設計開發圖紙、專利或專有技術、生產制造專用工裝以及檢測試驗手段，進行必要的質量認證。而配套商負有專供產品和保護知識產權的責任。只有這樣，才能夠真正使配套商與主機廠團結一致，把所有的利益都捆在一起，唇齒相依，共同發展。

2）零部件廠必須整合規模，提高水平，進行技術改造和結構調整，解決經營規模的問題，解決產品趨同化和集中度低的問題。向規模經濟發展才是根本出路。

3）應認識到零部件企業的發展同樣也要解決專業化的問題，專業化生產是機械工業向大工業發展的必由之路，基礎零部件廠也應該拋棄在計劃經濟時代形成的小而全的落后生產方式，不能夠單純地為擴大規模而失去企業和產品的特色，也有一個努力培育和發展自己核心競爭力的問題。在把零部件制造的核心技術和關鍵工序牢牢控制在手中的同時，也要把普通的加工、一些基礎的工藝以及不具備規模的部件拿出去，交給比自己做的更好的專業化廠去做，以獲得較好的產品質量、更高的效率和較低的成本。

4 國內工程機械關鍵基礎部件下一步的技術目標與方向

4.1 清潔動力裝置及其關鍵技術

1）柴油機低油耗（燃油、機油）、廢氣低排放（歐Ⅲ以上）、低噪聲技術的應用開發。

2）共軌燃油噴射系統（common-rail fuel system）、電控柴油機及特種清潔動力裝置的開發。

3）我國目前缺少的重、大型工程機械配套用柴油機（功率300~400hp，轉速1800~2100rpm，排量12~13L）開發。

4）柴油機上適應工程機械智能化控制；柴油機故障遠程診斷；提高操作人員合適性技術等匹配輔助技術的應用開發。

5）提高適應工程機械在我國特種環境地區（高原＞海拔4000 m、沙漠、濕熱、低寒）可靠進行的匹配技術。

6）提高適應工程機械比較惡劣工作條件的冷卻、電器、起動、進排氣、傳動等專用附件可靠性技術和品質優化。

7）提高柴油機與工程機械總體匹配技術水平研究（動力性、經濟性、可靠性等方面）。

4.2 計算機控制換擋變速器

1）加強對工程車輛載荷譜的測試和研究，確定變速器載荷譜，為開發系列化液力變速器打好基礎。

2）研究性能先進、結構合理、適應我國工程機械發展趨勢的變速器系列型譜，并根據系列型譜進行開發攻關，逐步完成整個工程車輛變速器系列開發。變速器應采用系列化、通用化設計、電液控制，能實現半自動或自動換擋，換擋品質高、性能可靠。根據主機的配置要求，可實現電子監控、故障診斷等功能。

3）進行電液控制操縱閥的研究攻關。這是液力變矩器的關鍵技術之一。

4）進行動力換擋半自動和自動控制系統（微處理器控制）的研究和攻關，這是變速器實現半自動、自動換擋，并實現電子監控和自動故障診斷的關鍵。

5）進行各種擋位選擇器的研究開發，以滿足不同工程車輛的變速器換擋要求。

6）進行大型工程車輛的液力變速器的開發攻關。

4.3 節能高效液壓元件及系統

1）電液比例組合閥：工程機械中高新技術新產品和隨著市場要求的越來越高而技術升級的產品中，大量使用電液比例閥，這種閥與定量泵組合使用可減少液壓系統的溢流損失、達到壓力匹配的目的；與負載敏感變量泵組合使用，可實現壓力流量匹配，更多地減少液壓系統的能量損失；除此之外，電液比例組合閥可使多個執行元件同時動作且互不干擾，并以各自的速度工作；而且執行元件運動的速度跟操作者的輸入一致，操作手感好、易于實現精細控制。

2）多種控制形式的變量柱塞泵（特別是大中排量液壓泵）。多種控制形式：如恒壓、恒功率、負載傳感、電液比例以及上述控制形式的任意組合，用戶可根據使用場合和需要達到目的方便地選擇。大大減少液壓系統元件數量，簡化液壓系統設計，易于實現主機智能化。

3）靜壓驅動技術及其關鍵元件。工程機械的技術發展使得其液壓系統必然向高壓、節能、智能化、自動化、靜液化方向發展，以降低噪聲和振動，減少外部泄漏，發展無泄漏系統，提高產品清潔度，保證產品可靠度，實現故障診斷以便于維護。

4.4 智能控制器及其控制系統

1）多傳感器與CAN總線控制技術：傳感器技術是促進智能化關鍵技術之一，國外一臺先進設備上裝有幾十只，甚至幾百只傳感器，傳感器種類多，采集的范圍也越來越廣，必須加緊傳感器技術的新材料、新工藝、使用壽命、抗干擾能力及智能化方面的研究。

2）電子控制理論：目前國外廣泛采用最優控制方法，也有采用自適用，模糊控制方法，因此必須對控制理論進行研究，為編制和優化軟化打下基礎，這也是控制技術的重點與難點。

3）位置誘導與識別技術：有些城建施工設備必須按照設定路線或軌跡作業，如果位置識別能確認其在作業中偏離既定路線，控制器應能自動進行糾編或復位。

4）網絡通訊及遠程診斷技術：將網絡技術應用于設備內部各電子系統間的連接和通訊。采用網絡式結構，可減少線路連接，提高系統可靠性，可實時診斷、測試和報警，實現集中顯示、歷史查詢和自診斷功能，電器信號傳遞性質由功率型轉變為”邏輯”型，通過網絡通信還可實現機械故障遠程診斷，節約維修時間及成本。

5）物性、作業對象的認識及評價技術。

龍當行天下 · 發表于 2010-2-4 12:51:16

了解了！謝謝

niuhaoliang · 發表于 2010-2-23 20:30:15

長見識了啊！

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