工程机械试验研究的作用与意义

2012-08-30 16:54:00 科学时代·下半月 2012年6期

[摘 要] 工程机械多功能试验台是工程机械工作装置与作业介质相互作用研究的重要实验设备。本文结合“工程机械多功能试验台”的研制项目,在了解和综合国内外工程机械试验设备的研究状况与发展趋势的基础上,对工程机械多功能试验台的主要功能、性能要求进行了分析,对试验台的总体方案和各部分的实施方案进行了研究、探讨。

[关键词] 试验台现场试验室内试验

近年来,我国的公路建设一直在迅速的发展,特别是我国目前正在努力进行声势浩大的西部大开发,要把占我国国土面积71.4%、人口为3.5亿的西部地区发展起来,逐渐与东部发达地区相接轨,最首要的问题之一就是交通问题,而要解决交通问题就得修建大量的公路,这就使工程机械需求量也迅速增加,所以工程机械面临前所未有的机遇及技术挑战。在施工过程中,施工机械很容易受到外界因素的影响,如施工时的天气、施工时的环境等方面的影响,给施工质量和进度造成一定的影响。例如:在高原作业的工程机械就必须在现有基础上加以改进以适应高原地区大气压力低、空气稀薄含氧量低、冻土层厚、气候干燥、风沙尘土大等特殊环境。我国对公路质量要求的提高也对现有的工程机械提出了挑战。因此,必须对工程机械做技术性改进,让其既能适应各种复杂多变的工作环境又能满足高质量公路的要求。对工程机械的技术改进应该以大量试验为依据[1]。

1.现场试验

我们可以通过现场试验的方法对工程机械的各项技术性能进行研究,而使机器在现场作业的条件下进行试验并且直接测定并记录能够反映机器动态性能的各项参数的时域函数的试验就是现场试验。

现场试验的优点是,试验是在实际工作条件和实际工况下进行的,这样做出的试验结果将会最为真实地反映机器的实际作业性能。而且由于不需要很复杂的模拟加载装置,所以现场试验所要求的试验手段就会相对简单的多。

现场试验的缺点是,现场试验条件比较恶劣这样就会限制某些精密仪器的使用;因为每次现场试验的条件很难达到完全相一致,所以其结果的可比性及重复性也就相对比较差。为了解决这个问题,我们在要求保持现场试验条件一致性的同时,又要尽可能保证重复多次进行同一的试验过程。而保证土质条件的一致性和机器的作业方法得模型化则是为了保持各种试验条件的一致性,这个可按图1.1所示之作业模型进行工作。在图中整个工作循环被分解为铲刀切入、定深集土、铲刀退出、水平运土、卸土、倒退等工序组成。在推土机作业时,各工序所占有的水平距离应尽可能保持规定之数值,推土过程应尽量保持满铲作业和最大的运土量,各工序之速度档位应保持一定[2]。

然而就算严格控制使各种实验条件尽可能一致,但是对于现场试验来说它的随机性仍很大这是由于现场条件下这样或那样等偶然因素的影响还是相当大的。所以,如果采用现场方法就必须多次重复同一的试验过程,以便于能从概率统计特性的角度来描述机器的动态牵引性能。在利用这一方法时,一个重复的问题是:确定最少需要多少试验样本,才能显示出试验总体的概率统计性质。显然,这是一个随机过程的平稳性检验问题。

尽管我们在现场试验条件下所取得的试验数据会给实验结果带来离散性,但是使同一试验过程重复多次进行还是可以从概率统计特性得出结论,这也将为我们人工模拟机器的负荷工况提供最原始的数据和依据,以便在实验室条件下进行更为深入的实验研究。

从对现场试验优缺点的分析中我们可以得出,现场试验并不能完全满足工程机械工作装置的试验要求,所以有必要进行室内试验,并研制室内实验设备。

2.室内试验

因为现场试验无法克服的缺陷,所以现代实验技术的一个显著的发展特征就是要求有相应的试验台可以将现场试验移至实验室来加以重复实现。模拟加载的特点是一方面可以使同一的试验条件可以重复出现多次,另一方面又能保证试验条件的随机性,因而完全相同的随机作用可以作用于不同的机器,这将使试验结构的可比性在很大程度上得到改善。

室内试验能够很好的保证同一的负荷工况和试验条件且能使其重复出现,这是室内实验的明显优点;室内试验可以使精密的仪器设备得到很好的使用,而在现场试验中,由于恶劣的环境所以使得精密仪器的使用受到很大的限制[3];而且在室内试验我们可以保持某些因素不变,而人为的变动其他因素,这样可以更好的分析某个特定的因素对机器性能的影响。

室内试验的缺点是实验室试验不可能做到完全复现现场作业时的使用条件和负荷工况,特别是行走机构与地面之间的相互作用。此外,实验室试验通常需要复杂的试验台架和昂贵的设备投资[3]。

3.国内外工程机械试验研究的现状

为了改进工程机械的性能和提高作业质量,要求对工程机械进行模拟试验研究,另外,当今出现的许多路面施工新技术,例如RCC路面的铺筑技术,沙漠道路施工机械、双滚筒烘干拌和、烘干筛分组合技术、振动拌和技术、新的振荡压实和冲击碾压技术、路面再生技术等等,都需要从工作装置与介质相互作用的试验研究中获得理论上的支持,以便更好地掌握它,并进一步改进和发展,使之应用到工程技术中去。

国内早期进行实验用的机器动态性能试验台,既可以是供整机试验用的也可以是部件的(例如变速箱、发动机等)的试验台架。动态性能是指机器在动态工作载荷不断变化的条件下所显示出来的燃料经济性和动力性。而供整机试验来用的台架,最常见的形式是履带式或转鼓式试验台。这种试验台是按相对运动的可逆性原理制成的。机器在试验台上将停着不动,而地面则以行驶着的转鼓或履带的形式向机器的后方移动。为了保持机器不向前运动,在水平面内通过测力计将它固结在不动的机架上。机器的有效牵引力即由这一测力计感受,而在转鼓或履带链轮的输出轴上则装有制动装置,可进行加载和测功。机器行驶时的风阻力可以利用风洞来模拟,气候条件可以通过人工气候室来实现。但是不好人工模拟行走机构与地面间的滑转和附着状态是这类试验台架的共同缺点。此外,由于履带和转鼓的巨大惯量,所以想要很好的模拟变化迅速的负荷工况也是非常困难的。所以,进行相对较稳定的牵引性能试验时我们采用整机性能试验台,而用总成试验台架来研究机器的动态性能。

研究工程机械工作装置与介质相互作用过程的物理、力学本质是工程机械设计和使用的理论基础,对于强化机器的作业过程、提高生产效益、工作性能和作业质量,以及创造全新的工作过程是十分重要的。因此,长期以来一直是国内道路施工机械科学技术进步的一个重要研究方向。

多年来工程机械动态性能研究主要集中在铲土运输机械的牵引作业过程,但对于许多工程机械来说机器的加速、制动、转向的动力学过程同样具有重要意义。此外,某些工程机械,例如对路面铺筑机械来说,工作阻力的波动主要并不在于影响机器的生产率或功率利用,而更重要的是对作业质量的影响。工程机械工作装置与介质相互作用机理和作业质量控制是研究机器作业过程中工作装置与介质相互作用的规律、工作装置作业参数的优化和作业质量的控制方法与技术。工程机械工作装置与作业介质相互作用的研究作为原有动态性能研究的延续、扩展和深化,一方面可在研究铲土运输机械动态特性的基础上将某些成果移植至其它工程机械上去,另一方面可根据不同机械的工作特点作出进一步的发展,并开拓出一系列新的研究课题来[4]。

国外对工程机械试验也很重视。例如日本建设机械化研究所,它是日本建设机械化协会的下属组织,成立于1964年10月。该所是为建设工程机械化健康发展而设立的制造厂家与用户共同的试验机关,负责建设机械与机械化施工的综合性实验研究。该所最初以建设机械的性能试验为业务中心,随着时间的推移业务内容逐渐扩展,最近已扩大到建设机械化的全部领域。研究所在实施研究过程中,将理论计算与现场计测、模拟试验与实体试验、野外作业与室内分析等手段相结合同步进行。为了便于开展实型试验,该所拥有包括周长为800m的实验跑道、岩石试验场地、松软地基试验场地等试验厂区。

前苏联在20世纪70年代中期以国立拖拉机研究所为主,开始大力加强农业拖拉机牵引动力学之理论和试验方法的研究。这一新的研究方向向工程机械领域的扩展,首先涉及像自动平地机那样的连续作业式铲土运输机械。对于这些机械来说,比较容易借助于农业拖拉机牵引动力学研究的许多结果。对于像推土机那样的循环作业或铲土运输机械,由于作业方式存在着一系列不同于连续作业机械的特点,机器的动态过程也有着许多不同于后者的特殊性。因此,直接引用农业拖拉机在这一领域的某些现成结论,显然是不适宜的。这就需要很好地研究推土机实际作业动态过程的特点。关于循环作业铲土运输机械牵引动力学和动态性能方面的系统研究,在国外是20世纪80年代初才开始的,在这方面我国的研究工作开展得也不晚,并已取得了一些初步的结果。

因为液压技术及可更换连接装置的诞生使现在工程机械的发展趋势在朝着系列化、特大型化发展的同时,已进入多用途、微型化的发展阶段。而且电子化与信息互动也被更多的应用于工程机械中。为了进行这方面的试验研究,所以这就要求工程机械室内试验及装备必须能满足这方面的要求。

4.室内试验设备课题的提出及课题的意义

国内最大的室内土槽试验室,该土槽试验室可以进行原型试验或工程机械模型试验这在国内也是少有的,该土槽试验室能进行各种工程机械工作装置与工作介质相互作用过程的实验,利用该土槽试验室已完成多项省部级重大科研项目,其研究成果在国内处于领先水平,所以今后应该继续充分利用该土槽试验室。

随着科学研究层次的逐步深入和研究范围的不断扩大,实验室原有的工程机械工作装置模拟试验设备已不能满足需要,其原因是原试验设备的动力仅为20kW,远远不能满足目前大功率工程机械试验的需要;原试验设备为电力传动,受其速度特性和动力特性的限制,无法模拟当今流行的工程机械全液压传动,无法实现无级变速控制,速度稳定性及动力自适应性差;受机重、功率及行走机构形式的限制,其牵引力无法满足大负荷铲土运输机械工作过程模拟的需要;该设备所附设的能进行试验的工程机械工作装置种类太少,目前仅有振动振荡压实轮和拌和铣刨转子两种,远远不能满足多种工程机械工作装置与工作介质相互作用过程研究的需要。目前需要增加公路施工的常用工作装置,尤其是要增加特殊土壤压实装置和随车密实度检测系统;原设备机架横梁刚度不够,运行时变形抖动较大,无法承受大负荷工作装置的工作阻力。

为了更好的进行工程机械动态牵引性能研究、地面力学与行驶理论研究、工作装置与介质相互作用理论研究、作业质量控制研究等,非常有必要研制工程机械多功能试验台。而且试验台车应该具有以下几大功能:可以提供动力源为多种工作装置;可以悬挂多种工程机械的工作装置,并可以对工作装置的性能参数及作用机理进行研究及优化;可以作为负荷台车作用于各种牵引车,且能施加各种牵引负荷对各工程车辆。

建立和研制工程机械多功能试验台具有非常重要的意义。首先,工程机械各工作装置与其作业介质(如材料、土壤)的作业质量控制、性能参数的选择、作业机理都是一个拥有着广阔市场前景且具有很高的学术价值的研究领域,但这在国内同行的研究中并不多见;其次,为了使我国的工程机械专业紧跟世界先进水平继就必须关注工程机械行业新的技术发展。

参考文献:

[1]西安公路学院等. 科学技术研究报告[R]. 1984.

[2]秦四成, 张盾, 黄海东等. 推土机作业过程的现场试验[J].建筑机械, 1995, 10: 23-24.

[3]冯忠绪. 工程机械理论[M]. 北京:人民交通出版社, 2004: 50-132.

[4]杨士敏,张铁. 工程机械地面力学与行驶理论[M]. 西安: 陕西科学技术出版社, 2000: 1-211.

[5]秦四成, 荊宝德, 高秀华. 推土机动态性能的试验方法研究[J].农业机械学报, 1998, 29(1): 38-41.

作者简介:

阴俊霞(1983.6-),女,山西夏县人,硕士研究生,助教,研究方向:筑路机械。