工程机械理论-12-10.doc

一、什么是工程机械？近30年来，我国工程机械的发展大致经历了哪几个阶段？凡土方工程、石方工程、流动起重装卸工程、人货升降输送工程和各种建筑工程，综合机械化施工以及同上述工程相关的工业生产过程机械化作业所必需的机械设备，称为工程机械。纵观我国工程机械行业的发展历史，大致可划分为三个阶段。第一阶段为创业时期（1949至1960年）。第二阶段为行业形成时期（1961至1978年）。第三阶段为全面发展时期（1979年至现在）。20世纪80年代以来，随着我国的改革开放，基本建设发展很快。为了满足基本建设的规模和技术水平的要求，我国在引进和吸收国外先进技术的基础上，已迅速发展成为工程机械的生产大国，2002年产值773亿元，居世界前列。但是，我们还必须清醒地看到，由于国内大多数企业主要还是依赖国外技术，拥有自主知识产权的精品不多，我国仍不是工程机械生产强国。工程机械发展大致可分3个阶段：1） 大规模引进国外技术阶段（20世纪80年代中期90年代中期）；2） 扩展阶段（20世纪90年代中期21世纪中期）；3） 稳定发展与进一步发展阶段（21世纪中期起）。二、试举例说明进行工程机械动态性能研究与提高工程机械可靠性的关系。影响工程机械可靠性的因素很多，有设计、材料与制造、使用等多种因素，但机器动态性能研究的缺乏是主要原因之一，也是根本原因之一。区别于其他机械，工程机械大多在野外工作，负荷及工况多变，负荷变化也较剧烈，而许多工程机械又有连续施工的苛刻要求，这对工程机械的可靠性和适应性提出了更高的要求。动态性能就是机器在工作负荷不断变化的动态条件下显示的动力性、燃料经济性和作业性能。下面以双钢轮振动压路机为例予以说明：双钢轮振动压路机主要用于压实路面材料，属于循环作业式机械。压路机及其钢轮均为大惯量系统，因此不管平动或转动的过渡过程，外负载变化都很大，也较剧烈。一方面这必然会造成行走驱动和振动液压系统中的冲击载荷，降低液压元件的使用性能和使用寿命；另一方面，作用于地面的力、力矩或功变化大，会造成起步地段压实度的极不均匀，甚至形成材料的推移现象。但是，该起步过程的过渡时间又不能太长，否则将会降低有效压实时间。同时，过长的起步时间会使振动轮起振越过共振点时产生共振现象，这对机器和被压材料都是十分有害的。机器停车时，上述类似的现象也是存在的。同时，起步和停车时外载荷的急剧变化会引起发动机转速和功率的随之波动，特别是停车时机器的巨大惯性要引起发动机的反拖制动，这不仅会影响发动机的使用性能，而且会降低发动机的可靠性和使用寿命起步和停车时的另一个问题是，由于负载的急剧变化，液压系统的压力急剧上升。当系统配置和调整不合适时，常常导致安全阀的溢流和液压系统的发热，造成功率的极大浪费。由于振动压路机正常工作时，所需功率较小，转向所需功率也不大，因此，起步和停车过程的功率消耗也决定着振动压路机的动力大小的选配。双钢轮振动压路机的起步和停车过程负荷变化剧烈，要产生以下三种主要后果：（1）由于液压系统压力冲击以及发动机转速急剧波动，机器可靠性变差；（2）由于液压系统溢流发热，发动机转速波动等原因，使燃油消耗增加，节能减排性能变差；（3）引起振动轮与地面作用力的急剧变化，作业质量变异。实践证明，对此问题采取抑制惯性载荷的变化、机器参数动态匹配、功率峰值错峰等措施，都会取得明显的改善效果。由此例不难看出，机器动态性能的研究确是解决机器可靠性问题的根本途径之一。答题二：研究在动态条件下机器的性能预测和试验方法，从设计机器的角度来看将有助于更为合理地确定机器的结构参数，从而充分发挥各个总成的工作能力和提高机器的整机性能。从机器的使用观点来看，这一研究将有助于解决如何在具体的使用条件下充分发挥机器的性能和效益，从而建立机器的合理使用规范和施工机械的最优化方法。研究发动机的动态性能：发动机的负荷波动要引起柴油机输出特性变化，或者说要引起柴油机的动态效应。通过对发动机负荷波动的研究，得出负荷波动要引起发动机输出特性偏离其静态值。这不仅指发动机功率，也指经济性及热状态发生了变化。发动机的动态效应只是在负荷波动的低频范围内存在。这表明发动机只是在负荷波动的低频范围内才存在不同程度的动态效应。负荷波动还会造成柴油机功率下降。发动机的动力性和经济性不仅取决于它的本身特性，而且还与机器在使用过程中的负荷工况有关。在设计机器时根据负荷工况和发动机的输出特性来合理匹配机器参数能有效调高机器的性能和可靠性。 三、当工程机械的作业对象是粘湿物料时，常常发生物料的粘附现象。试说明发生这种粘附现象的危害，提出解决问题的方法或措施，并说明这些方法或措施的基本原理。当以粘湿物料（土壤、煤粉等）为工作对象时，挖掘、装卸及运输机械存在严重的物料粘附问题，这将降低地面装卸和运输机械的生产效率。 长期以来，人们为解决减粘脱附这一世界性难题，进行了不懈的努力和试验研究，曾采用过表面润滑、表面材料改性、磁化、开设通孔、优化切削刀具曲面（表面改形）等方法。但运用柔性仿生技术研究粘附问题是一条行之有效的途径。柔性仿生技术仿生柔性非光滑表面减粘降阻的机理仿生柔性非光滑表面与生物柔性体表一样，具有优良的减粘降阻效果，其机理讨论如下。仿生柔性非光滑表面局部结构或结构单元间（如钢环与钢环间、尼龙环间）可产生转动柔性和移动柔性，造成土壤对其无法压实，有效地减少仿生柔性非光滑表面上的任一接触单元与土壤间的连续接触时间，减弱了粘附界面的粘附强度。同时仿生柔性非光滑表面的非光滑体表结构使其与土壤间易形成复合界面，在表面的波谷处形成空气截流，使粘附界面无法形成连续的水膜，降低了土壤的粘附能力。仿生柔性非光滑表面具有良好的防粘性能。切向粘附构成界面滑动阻力的一部分。根据MooreCoulomb定律，当触土表面为仿生柔性非光滑面时，几何非光滑性质使界面接触面积减小；在界面粘附系统中形成的复合界面，使土壤对仿生柔性非光滑表面的单位面积的切向粘附力减小；其表面柔性变形对来自土壤的压力具有缓冲作用，表现为作用在接触界面上的真实法向压力降低；仿生柔性非光滑表面的摩擦因数小于光滑的金属表面的摩擦因数。上述各项的综合作用，使仿生柔性非光滑表面阻力减小，故其具有良好的降阻性能。气体润滑气幕减阻原理所谓气幕减阻就是将加压空气注入土壤与工作部件表面，形成不连续的空气层即气幕，从而减小土壤与工作部件表面之间的粘附摩擦阻力。气幕减阻法的简化模型是湿软土壤上滑行的滑板。当金属滑板在湿软土壤上滑行，并通过一个充气孔充气时，可观察到如图所示的充气层。充气层的形成是由于气体压力使充气孔附近的土壤下陷变形所致。随着滑板的前进，此变形也随着滑板向前移动，充气层的存在减小了滑板的滑行阻力。 气幕减阻的原因是由于充气后气幕面积的存在，减少了滑板与土壤间的粘附摩擦面积，以及气幕层中气体压力作用在滑板上，减小了滑板与土壤间的正压力，从而减小了滑行时滑板与土壤间的粘附摩擦阻力。四：工程机械动态性能和牵引动力学研究中，分别采用实验室模拟试验、负荷车模拟试验和整机野外试验等方法，试述各种方法的不同用途，以及它们的主要优缺点。研究机器动态牵引性能的试验方法可分为现场试验、台架模拟试验和负荷车模拟试验等三类。它们有着各自的优缺点和使用范围，而且往往是互为补充的。1、现场试验现场试验就是在机器现场作业的条件下，直接测定和记录表征机器动态牵引性能的各项参数之时域函数。这种方法的特点在于试验是在实际工作条件下进行的，因而试验的结果将最为真实地反映机器的实际作业性能。由于不需要复杂的模拟加载设备，所以此类试验所要求的试验手段也就比较简单。但是由于试验条件很难达到完全一致，因而试验结果的重复性和可比性往往比较差。为了解决这一问题，一方面要求尽可能保持试验条件的一致性，而另一方面则要求同一试验过程必须多次重复进行。2、试验室台架模拟试验将现场试验移至试验台架上加以复现，是现代试验技术发展的一个显著特征。模拟加载的特点是一方面保持着负荷作用的某种随机性，另一方面同一随机过程又可以多次复现，因而不同的机器可以经受完全同一的随机作用，这无疑将有助于改善试验结果之可比性。实验室试验之明显优点是：（） 能较好地保证同一的试验条件与负荷工况；（） 可使某些因素保持不变，而人为地变动某个因素，以便更好地分析它对机器性能的影响；（） 实验室试验可以采用更为精密的仪器设备，而在现场试验中，精密仪器的使用往往要受到恶劣使用环境之限制。实验室试验的缺点是不可能做到完全复现现场的使用条件和负荷工况。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、负荷车模拟试验负荷车模拟试验是指利用模拟加载负荷车来复现机器作业过程的牵引负荷。台架模拟试验的缺点是不能很好地反映行走机构与地面之间的相互作用。解决这一问题较为理想的办法是在标准试验场地上或实物试验土槽中利用模拟加载负荷车来复现机器作业过程随机变化的牵引负荷。这种方法的优点在于既保持了机器与地面相互作用的真实性，而使用环境（如土质条件）和负荷工况的随机波动又是可以严格控制多次复现。这就较好地解决了现场作业条件的真实性和试验结果的可比性之间的矛盾。五、在工程机械动态性能和牵引动力学研究中，采用实验室模拟试验研究时，为什么要建立工程机械液压底盘模拟试验台、工程机械工作装置综合试验台和模拟加载负荷车？研制实验室模拟试验台的关键技术是什么？六、试分别说明下列各种压实方法的特点：1、真空压实这有助于沥青在表面力的作用下填充到骨料的空穴及缝隙中去，有利于沥青的重新均匀分布。沥青膜的变薄及其微孔和骨料缝隙中气体的排出，使混凝土内部应力下降。因此，真空室的存在为孔隙率数量和尺寸的减少都创造了条件，而这又为进一步压实混凝土提供了极为有利的条件。还应注意到，气体穿过路面层进入真空室时，使集料相对于自己的平衡位置产生了平动和旋转运动，也有利于混凝土内部结构的改善。为路面压实中，根据沥青混凝土温度、材料特性、压实遍数等调节滚轮的接地压力，提高压实效率提供了方便。真空压实作业时，若在真空室附加检测仪表，由于压实度与空隙率的紧密联系，空隙率又与真空室压力变化有直接联系，可连续检测路面的压实度。这为控制压实过程，保证压实质量提供了必要的信息。2、混沌振动压实：近代发现，非线性振动系统中，当系统参数满足一定条件时，即使在确定性输入下，仍输出不规则的振动，称之为混沌振动。混沌振动用于压实，是由于混沌振动有着比简谐振动更宽的振动频带，更剧烈的速度变化，这就更有利于振动压实。尽管混沌振动的压实度和压实效率高于普通的简谐振动，但受其能量有所增加的限制，将它作为一种以提高工作效率为主的新产品才有意义。混沌振动比单频振动有更高的压实效果，相同时间内可提高压实功效1.31.8倍（对砂做的实验）。这是由于在主频附近许多振动频率同时作用下，各种大小不一的颗粒间的摩擦显著变小，呈现出流动状态而填充间隙，从而比单频振动有更好的振动效果。3、振荡压实振荡压实机械有如下优点：改善对周围工作环境的影响，可在高架桥上或市区等对振动敏感的区域工作；总体能量损失小，节约了能量消耗，降低了施工成本；不产生像振动压路机一样的上下垂直振动，可防止压碎沥青混合料中的骨料，而使面层振松，也不会因振动冲击而破坏原有材料的级配；振荡压实依靠剪切揉搓与静压组合的作用进行压实，可获得良好的平整度和密实度，而且表面致密性良好，特别适合压实沥青路面和RCC路面。振荡压实机械的缺点是：振荡力的影响深度小，深层压实效果差。4、滚动冲击压实滚动冲击压实既具有夯击压实打击能量大、影响力深、效果好的优点，又具有滚动压实连续作业效率高、机动性好的优点。5、橡胶履带压实橡胶履带压路机的优点是：接地面积大、接地压力均匀、压实装置的刚度和沥青混凝土的刚度接近，压实过程中不会使材料产生大量推移，可通过延长压实力的作用时间提高路面的压实密度。能够较好地消除沥青表面层的细小纹理，使它密封防渗；减小沥青面层的变形，提高平整度。相较于轮式压路机，履带压路机对于作用面的单位压力要低许多，但它对作用面的作用时间是轮胎压路机的30倍之多。（1） 压实率高，只需较少遍数就可达到与传统压路机同样的压实效果。（2） 能够明显减少沥青面层的孔隙。（3） 能够对整个路面实现均匀压实，即使在道路的边缘也不会出现变形现象。（4） 碾压过的路面密实、均匀。七、什么是搅拌的新概念？为什么在振动搅拌时，采用强制搅拌与振动相结合的方案比较合理？比较完善的搅拌过程，物料的位移必须由良好配合的对流运动和扩散运动来完成，这就是笔者提出的新的搅拌概念。它的提出，主要基于对建筑材料性能及其结构形成过程和搅拌机工作机构与混合料间相互作用关系的研究。比较合理的办法是按新的搅拌概念，将强制搅拌与振动强化结合使用。利用强制搅拌实现物料宏观的对流运动的同时，附加振动作用来强化物料的扩散运动，犹如在强制搅拌机叶片运动的空隙中插入深度振动棒。强制搅拌与振动相配合，保证了搅拌质量，同时大大提高了搅拌过程的发展速度，提高了搅拌效率。八、试举例说明工程机械工作装置与作业对象相互作用过程和机理的研究，是设计工程机械和改善其性能的关键之一。推土机通过铲刀与外界作业介质