功能思想在平地機發展中的應用

摘要： 在現代產品設計中，對產品的功能越來越重視，邁爾斯在價值工程中，首次把功能的重要性提升到了理論的高度，即功能思想。本文圍繞功能思想在產品設計中的應用，以平地機為例，簡要闡述了平地機的發展歷史、市場現狀以及在應用中的經濟性。

關鍵詞：價值工程 功能思想 產品設計 平地機

一、功能對產品的重要性

功能的定義是事物或方法所發揮的有利的作用和效能，我們日常生活中使用的任何一件物品，主要是因為其有一定的使用價值，而功能就是這種物品的潛在的使用價值。

在漢語中，功能的的同義詞也有很多：功用、作用、效能、用途、目的等，對于一件產品來說，功能就是產品的用途、產品所擔負的職能或所起的作用。產品的功能決定了它的價值，決定了我們設計某種產品的意義。我們設計的任務是解決“人—機—環境—社會”系統中存在的問題，其設計的出發點是人，旨在通過生產技術手段把人的創造思維轉變為具有某種特定功能的實體，即所謂的“產品”，實現為人服務的目的，解決生活中的各種問題。

人類最初發明并設計制造出某種產品，都是在日常生活中遇到一定的問題，給生活或工作帶來了不方便，為了更好地提高生活質量、工作效率等，就開始有目的地思考一些方法，制造一些產品。為了消除夜晚的黑暗，經過幾代人的努力，最終由愛迪生發明了電燈；為了提高運算效率，人類發明了最初最基本的計算機，發展至如今已經進入千家萬戶、日常必不可少的電腦；為了提高人類移動的速度，降低減少人類的疲勞，有人發明了自行車、汽車、飛機等交通工具。所有這些發明，都是因為其功能滿足人類的需要，人類需要其功能。

二、功能思想的概念

1947年，美國工程師邁爾斯創立的價值工程中，提出了功能分析的思想，這是對設計學的很大貢獻，是設計思想的一個重要飛躍，從理論上證明了功能思想在設計中的重要性。價值工程認為，功能是產品的核心和本質，而具體結構只是功能的不同表現形式而已。因此人們可以使用不同的原料、結構和外形來實現同一種功能，這要求設計者不要首先從產品結構著手，而應從系統的功能出發設計產品，徹底改變了按照構件及零件分類的傳統設計方法，有助于設計師開拓思路，迅速獲得多種產品設計可能解。任何產品首先要滿足功能需求，功能成為產品競爭力的首要因素，已經成為一種共識。現今，功能分析已經成為大多數設計理論和方法的基本組成部分，如創新問題解決理論(TRIz)的物質場分析模型，有害、有益功能，主要功能、輔助功能等概念；公理化設計中的功能域到結構域的映射等概念。

三、平地機的發展歷史

平地機是一種以鏟刀為主，配以其它多種可換作業裝置，進行土地平整和整形作業的施工機械，主要用于道路、機場、農用水利等大面積平整作業以及刮坡、挖溝、推土、松土、清除路面冰雪等方面的施工作業，是國防工程、交通、礦山、水利基本建設施工中重要設備之一。人們發明平地機的初衷，也是出于清除道路積雪和結冰的目的。最早的平地機沒有動力裝置，結構也很簡單。隨著科學技術的發展，尤其是發動機的廣泛使用，平地機制造技術也越來越先進，

平地機已有100多年的發展歷史，最早的平地機是拖式平地機。20世紀20年代，出現了自行式平地機，80年代后期，平地機經歷了從低速到高速、從小型到大型、從機械操縱到液壓操縱、從機械換檔到動力換檔、從機械轉向到液壓助力轉向再到全液壓轉向以及整體機架到鉸接機架的發展過程，整機的可靠性、耐久性、安全性及舒適性都有了很大的提高。進入21世紀，平地機從結構到性能再到舒適性都發生了很大的變化，現在的平地機都已經是采用機電液一體化技術，六輪自行式液壓操縱，逐步向自動化、智能化方向發展。

四、國內平地機的發展歷史及現狀

1962年鼎盛天工工程機械股份有限公司的前身，原天津工程機械廠仿照蘇聯g－144自行式機械操縱平地機制造出了中國第一臺平地機，型號為P1－90，開創了中國平地機的先河。它采用后四輪驅動的方式以及前輪轉向、整體機架、機械換檔變速箱。1965年又推出PY160平地機，采用前后橋驅動、中央制動、液壓操縱的方式。1980年生產出國內第一臺PY160A型平地機，1985年又引進德國技術開發了PY250型平地機，1990年起先后生產出9大類18個型號50多種配置的系列產品。這些產品的特點為：引進美國克拉克公司先進技術生產的變矩器與上柴發動機匹配；定軸式動力換檔變速箱，性能可靠，操縱輕便；后橋為三段式結構驅動橋，兩級減速裝有公司專利無華東差速器，保證在各工況下為車輪提供足夠的牽引力；鉸接機架，大的前橋擺動角，以及擺動平衡箱；可以根據需要加裝前推土板、后松土器、自動調平裝置等備件。

1997年，常林股份公司引進了小松平地機技術，并與1998年生產出117KW和140KW的平地機。其主要產品有PY165C-3、PY190C-3和PY200C-3。由于采用了小松技術，其平地機產品具有以下優點：輪邊驅動采用小松雙排滾子鏈條技術，強度高。用單個齒輪泵經分流閥向2個操縱閥供油，回轉油路合流，既保證了個各動作速度，又降低了整個系統能耗。為適應重載作業，刮板比一般平地機要后30%。在鏟刀兩側特別設計了邊刃，能更好地進行挖溝、路面表層剝離得等作業。所有主刃、邊刃均為雙刃結構，當一側刃口磨損后，將刃板拆下后換一個方向重新裝上即可用另一側刃口進行作業。

徐工集團雖然進入平地機市場較晚，但憑借自身的優勢，獨立開發研制出10多個規格型號的平地機產品，產品更新換代比較快，現在主推K系列、GR系列的165、180、200、215型平地機。近期又開發出靜液壓傳動的樣機，其產品特點為：鉸接車架，后橋為三段式驅動橋，主傳動裝有“No-Spin”無自轉閉鎖差速器，前進6檔，倒退3檔的動力變速箱，檔位變換為電液控制，整機的速度范圍為6.2—42.3km/h。

三一重工在廣泛吸收國內外平地機先進技術的基礎上創新研制成功的全液壓平地機將靜液壓傳動技術應用于平地機的行駛驅動，替代了傳統的液力機械傳動，具有傳動環節少、操作省時省力、無級變速、自動適應負載能力強以及便于實現自動控制等特點，享有世界專利。

五、全液壓平地機節能控制技術

隨著平地機操縱舒適性的提高，對發動機功率的要求也越來越高。根據能量守恒定律，所有原先由人力來完成的工作，最終都要歸結到發動機來承擔。一臺設計良好的機器除應具有“動力性”要求外，還要有良好的“經濟性”。由于全球性的能源緊張，工程機械的節能控制研究也越發顯得重要。隨著平地機生產量的增加，國產平地機逐漸開始大量使用電噴柴油發動機，電噴發動機的優良的動力輸出特性和可電控特性為節能控制提供了方便。

1.通過動力和液壓系統合理匹配與控制實現節能

讓柴油機工作在經濟油耗區是節約燃油效果最顯著的一項措施，尤其在負載不大，不要求發動機全功率輸出的工況，可以將發動機工作點從額定輸出點移向經濟耗油點。發動機降速引起系統流量降低，從而造成的作業速度損失由馬達降排量彌補。采用這一措施時需注意以下幾點：

（1）經濟耗油點可選擇發動機外特性上比油耗較低、輸出功率較高的點。現在的電噴柴油機在寬范圍內輸出功率平緩，為此匹配提供了條件。

（2）低速大負載作業時，負載達到發動機負載率90%以上，應啟動馬達自適應調節功能，增大排量。此時如采取這以節能措施，理論上會使作業生產率下降。

（3）此方法主要用于限速檔位，因為限速檔位馬達有可調節余量，高速行車檔位一般有最高車速要求，此時發動機不宜降速使用。

（4）可能帶來扭矩儲備與轉速適應性能的降低，需結合實際選用的發動機進行論證和試驗。

（5）采用此方法后節油率隨著負載增大而降低。空載節油率可達40%；發動機負載達到90%時，節油率僅有4%左右。采用此節能方法的平均節油率可計算如下：總平均節油率=Σ（工況百分比×該工況下平均節油率）。

2.電噴柴油機變功率控制技術在平地機上的應用

發動機變功率控制技術目前已在國外平地機上被廣泛采用。此技術密切結合機械式或液力機械式平地機的原理與使用方法，充分利用了電噴發動機開放的電控特性，在不改變發動機工作點、扭矩儲備以及速度適應范圍的前提下，配合不同作業檔位與工況適應，具有節能降耗的效果。該技術在全液壓平地機上的應用還處在試驗階段，已經取得了初步成果。

3.冷卻系統節能控制

節能化冷卻系統是指根據實際溫度發動機冷卻風扇的轉速，風扇在不需要散熱的情況下不轉動或低速轉動，也稱智能風扇控制。具體措施可以有多種。

（1）采用液壓馬達控制風扇的轉速。

（2）安裝專門的風扇離合器，根據溫度高低，通過改變PWM信號的占空比控制離合器與發動機軸的嚙合程度，從而控制風扇轉速。風扇消耗功率約占系統總功率的5%左右，采取這一措施后節油率有望達到3—5%。

六、結語

現代設計方法以顧客需求為其根本目標，功能需求為基本分析手段，以實現不同設計理論方法的集成、設計過程的虛擬化和科學化，最終實現社會、經濟和政治三者和諧發展的可持續設計。隨著人類社會的進步和科學技術的發展，人們對產品的要求越來越高，要提高產品的性能，自然要求設計理論和方法的創新；而設計理論和方法的進步往往會帶動產品的革新，從而形成良性循環。因此，現代設計理論與方法會不斷地發展，并注入新的內容和活力。

參考文獻：

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