工程機械試驗研究的作用與意義

[摘 要] 工程機械多功能試驗臺是工程機械工作裝置與作業介質相互作用研究的重要實驗設備。本文結合“工程機械多功能試驗臺”的研制項目，在了解和綜合國內外工程機械試驗設備的研究狀況與發展趨勢的基礎上，對工程機械多功能試驗臺的主要功能、性能要求進行了分析，對試驗臺的總體方案和各部分的實施方案進行了研究、探討。

[關鍵詞] 試驗臺現場試驗室內試驗

近年來，我國的公路建設一直在迅速的發展，特別是我國目前正在努力進行聲勢浩大的西部大開發，要把占我國國土面積71.4%、人口為3.5億的西部地區發展起來，逐漸與東部發達地區相接軌，最首要的問題之一就是交通問題，而要解決交通問題就得修建大量的公路，這就使工程機械需求量也迅速增加，所以工程機械面臨前所未有的機遇及技術挑戰。在施工過程中，施工機械很容易受到外界因素的影響,如施工時的天氣、施工時的環境等方面的影響，給施工質量和進度造成一定的影響。例如：在高原作業的工程機械就必須在現有基礎上加以改進以適應高原地區大氣壓力低、空氣稀薄含氧量低、凍土層厚、氣候干燥、風沙塵土大等特殊環境。我國對公路質量要求的提高也對現有的工程機械提出了挑戰。因此，必須對工程機械做技術性改進，讓其既能適應各種復雜多變的工作環境又能滿足高質量公路的要求。對工程機械的技術改進應該以大量試驗為依據[1]。

1.現場試驗

我們可以通過現場試驗的方法對工程機械的各項技術性能進行研究，而使機器在現場作業的條件下進行試驗并且直接測定并記錄能夠反映機器動態性能的各項參數的時域函數的試驗就是現場試驗。

現場試驗的優點是，試驗是在實際工作條件和實際工況下進行的，這樣做出的試驗結果將會最為真實地反映機器的實際作業性能。而且由于不需要很復雜的模擬加載裝置，所以現場試驗所要求的試驗手段就會相對簡單的多。

現場試驗的缺點是，現場試驗條件比較惡劣這樣就會限制某些精密儀器的使用；因為每次現場試驗的條件很難達到完全相一致，所以其結果的可比性及重復性也就相對比較差。為了解決這個問題，我們在要求保持現場試驗條件一致性的同時，又要盡可能保證重復多次進行同一的試驗過程。而保證土質條件的一致性和機器的作業方法得模型化則是為了保持各種試驗條件的一致性，這個可按圖1.1所示之作業模型進行工作。在圖中整個工作循環被分解為鏟刀切入、定深集土、鏟刀退出、水平運土、卸土、倒退等工序組成。在推土機作業時，各工序所占有的水平距離應盡可能保持規定之數值，推土過程應盡量保持滿鏟作業和最大的運土量，各工序之速度檔位應保持一定[2]。

然而就算嚴格控制使各種實驗條件盡可能一致，但是對于現場試驗來說它的隨機性仍很大這是由于現場條件下這樣或那樣等偶然因素的影響還是相當大的。所以，如果采用現場方法就必須多次重復同一的試驗過程，以便于能從概率統計特性的角度來描述機器的動態牽引性能。在利用這一方法時，一個重復的問題是：確定最少需要多少試驗樣本，才能顯示出試驗總體的概率統計性質。顯然，這是一個隨機過程的平穩性檢驗問題。

盡管我們在現場試驗條件下所取得的試驗數據會給實驗結果帶來離散性，但是使同一試驗過程重復多次進行還是可以從概率統計特性得出結論，這也將為我們人工模擬機器的負荷工況提供最原始的數據和依據，以便在實驗室條件下進行更為深入的實驗研究。

從對現場試驗優缺點的分析中我們可以得出，現場試驗并不能完全滿足工程機械工作裝置的試驗要求，所以有必要進行室內試驗，并研制室內實驗設備。

2.室內試驗

因為現場試驗無法克服的缺陷，所以現代實驗技術的一個顯著的發展特征就是要求有相應的試驗臺可以將現場試驗移至實驗室來加以重復實現。模擬加載的特點是一方面可以使同一的試驗條件可以重復出現多次，另一方面又能保證試驗條件的隨機性，因而完全相同的隨機作用可以作用于不同的機器，這將使試驗結構的可比性在很大程度上得到改善。

室內試驗能夠很好的保證同一的負荷工況和試驗條件且能使其重復出現，這是室內實驗的明顯優點；室內試驗可以使精密的儀器設備得到很好的使用，而在現場試驗中，由于惡劣的環境所以使得精密儀器的使用受到很大的限制[3]；而且在室內試驗我們可以保持某些因素不變，而人為的變動其他因素，這樣可以更好的分析某個特定的因素對機器性能的影響。

室內試驗的缺點是實驗室試驗不可能做到完全復現現場作業時的使用條件和負荷工況，特別是行走機構與地面之間的相互作用。此外，實驗室試驗通常需要復雜的試驗臺架和昂貴的設備投資[3]。

3.國內外工程機械試驗研究的現狀

為了改進工程機械的性能和提高作業質量，要求對工程機械進行模擬試驗研究，另外，當今出現的許多路面施工新技術，例如RCC路面的鋪筑技術，沙漠道路施工機械、雙滾筒烘干拌和、烘干篩分組合技術、振動拌和技術、新的振蕩壓實和沖擊碾壓技術、路面再生技術等等，都需要從工作裝置與介質相互作用的試驗研究中獲得理論上的支持，以便更好地掌握它，并進一步改進和發展，使之應用到工程技術中去。

國內早期進行實驗用的機器動態性能試驗臺，既可以是供整機試驗用的也可以是部件的（例如變速箱、發動機等）的試驗臺架。動態性能是指機器在動態工作載荷不斷變化的條件下所顯示出來的燃料經濟性和動力性。而供整機試驗來用的臺架，最常見的形式是履帶式或轉鼓式試驗臺。這種試驗臺是按相對運動的可逆性原理制成的。機器在試驗臺上將停著不動，而地面則以行駛著的轉鼓或履帶的形式向機器的后方移動。為了保持機器不向前運動，在水平面內通過測力計將它固結在不動的機架上。機器的有效牽引力即由這一測力計感受，而在轉鼓或履帶鏈輪的輸出軸上則裝有制動裝置，可進行加載和測功。機器行駛時的風阻力可以利用風洞來模擬，氣候條件可以通過人工氣候室來實現。但是不好人工模擬行走機構與地面間的滑轉和附著狀態是這類試驗臺架的共同缺點。此外，由于履帶和轉鼓的巨大慣量，所以想要很好的模擬變化迅速的負荷工況也是非常困難的。所以，進行相對較穩定的牽引性能試驗時我們采用整機性能試驗臺，而用總成試驗臺架來研究機器的動態性能。

研究工程機械工作裝置與介質相互作用過程的物理、力學本質是工程機械設計和使用的理論基礎，對于強化機器的作業過程、提高生產效益、工作性能和作業質量，以及創造全新的工作過程是十分重要的。因此，長期以來一直是國內道路施工機械科學技術進步的一個重要研究方向。

多年來工程機械動態性能研究主要集中在鏟土運輸機械的牽引作業過程，但對于許多工程機械來說機器的加速、制動、轉向的動力學過程同樣具有重要意義。此外，某些工程機械，例如對路面鋪筑機械來說，工作阻力的波動主要并不在于影響機器的生產率或功率利用，而更重要的是對作業質量的影響。工程機械工作裝置與介質相互作用機理和作業質量控制是研究機器作業過程中工作裝置與介質相互作用的規律、工作裝置作業參數的優化和作業質量的控制方法與技術。工程機械工作裝置與作業介質相互作用的研究作為原有動態性能研究的延續、擴展和深化，一方面可在研究鏟土運輸機械動態特性的基礎上將某些成果移植至其它工程機械上去，另一方面可根據不同機械的工作特點作出進一步的發展，并開拓出一系列新的研究課題來[4]。

國外對工程機械試驗也很重視。例如日本建設機械化研究所，它是日本建設機械化協會的下屬組織，成立于1964年10月。該所是為建設工程機械化健康發展而設立的制造廠家與用戶共同的試驗機關，負責建設機械與機械化施工的綜合性實驗研究。該所最初以建設機械的性能試驗為業務中心，隨著時間的推移業務內容逐漸擴展，最近已擴大到建設機械化的全部領域。研究所在實施研究過程中，將理論計算與現場計測、模擬試驗與實體試驗、野外作業與室內分析等手段相結合同步進行。為了便于開展實型試驗，該所擁有包括周長為800m的實驗跑道、巖石試驗場地、松軟地基試驗場地等試驗廠區。

前蘇聯在20世紀70年代中期以國立拖拉機研究所為主，開始大力加強農業拖拉機牽引動力學之理論和試驗方法的研究。這一新的研究方向向工程機械領域的擴展，首先涉及像自動平地機那樣的連續作業式鏟土運輸機械。對于這些機械來說，比較容易借助于農業拖拉機牽引動力學研究的許多結果。對于像推土機那樣的循環作業或鏟土運輸機械，由于作業方式存在著一系列不同于連續作業機械的特點，機器的動態過程也有著許多不同于后者的特殊性。因此，直接引用農業拖拉機在這一領域的某些現成結論，顯然是不適宜的。這就需要很好地研究推土機實際作業動態過程的特點。關于循環作業鏟土運輸機械牽引動力學和動態性能方面的系統研究，在國外是20世紀80年代初才開始的，在這方面我國的研究工作開展得也不晚，并已取得了一些初步的結果。

因為液壓技術及可更換連接裝置的誕生使現在工程機械的發展趨勢在朝著系列化、特大型化發展的同時，已進入多用途、微型化的發展階段。而且電子化與信息互動也被更多的應用于工程機械中。為了進行這方面的試驗研究，所以這就要求工程機械室內試驗及裝備必須能滿足這方面的要求。

4.室內試驗設備課題的提出及課題的意義

國內最大的室內土槽試驗室，該土槽試驗室可以進行原型試驗或工程機械模型試驗這在國內也是少有的，該土槽試驗室能進行各種工程機械工作裝置與工作介質相互作用過程的實驗，利用該土槽試驗室已完成多項省部級重大科研項目，其研究成果在國內處于領先水平，所以今后應該繼續充分利用該土槽試驗室。

隨著科學研究層次的逐步深入和研究范圍的不斷擴大，實驗室原有的工程機械工作裝置模擬試驗設備已不能滿足需要，其原因是原試驗設備的動力僅為20kW，遠遠不能滿足目前大功率工程機械試驗的需要；原試驗設備為電力傳動，受其速度特性和動力特性的限制，無法模擬當今流行的工程機械全液壓傳動，無法實現無級變速控制，速度穩定性及動力自適應性差；受機重、功率及行走機構形式的限制，其牽引力無法滿足大負荷鏟土運輸機械工作過程模擬的需要；該設備所附設的能進行試驗的工程機械工作裝置種類太少，目前僅有振動振蕩壓實輪和拌和銑刨轉子兩種，遠遠不能滿足多種工程機械工作裝置與工作介質相互作用過程研究的需要。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裝置和隨車密實度檢測系統；原設備機架橫梁剛度不夠，運行時變形抖動較大，無法承受大負荷工作裝置的工作阻力。

為了更好的進行工程機械動態牽引性能研究、地面力學與行駛理論研究、工作裝置與介質相互作用理論研究、作業質量控制研究等，非常有必要研制工程機械多功能試驗臺。而且試驗臺車應該具有以下幾大功能：可以提供動力源為多種工作裝置；可以懸掛多種工程機械的工作裝置，并可以對工作裝置的性能參數及作用機理進行研究及優化；可以作為負荷臺車作用于各種牽引車，且能施加各種牽引負荷對各工程車輛。

建立和研制工程機械多功能試驗臺具有非常重要的意義。首先，工程機械各工作裝置與其作業介質（如材料、土壤）的作業質量控制、性能參數的選擇、作業機理都是一個擁有著廣闊市場前景且具有很高的學術價值的研究領域，但這在國內同行的研究中并不多見；其次，為了使我國的工程機械專業緊跟世界先進水平繼就必須關注工程機械行業新的技術發展。

參考文獻：

[1]西安公路學院等. 科學技術研究報告[R]. 1984.

[2]秦四成, 張盾， 黃海東等. 推土機作業過程的現場試驗[J].建筑機械, 1995, 10: 23-24.

[3]馮忠緒. 工程機械理論[M]. 北京：人民交通出版社, 2004: 50-132.

[4]楊士敏，張鐵. 工程機械地面力學與行駛理論[M]. 西安： 陜西科學技術出版社, 2000: 1-211.

[5]秦四成, 荊寶德， 高秀華. 推土機動態性能的試驗方法研究[J]．農業機械學報, 1998, 29(1): 38-41.

作者簡介：

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