工程机械研究报告

工程机械研究报告第页工程机械研究报告--机械茅以升一、工程机械发展史从广义的角度上讲，凡是能完成一定机械运动，以代替人类劳动的的装置都可以叫做机械。而工程机械是指用于工程建设的施工机械的总称。广泛用于建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域。迄今为止，考古学家已经发现了距今大约五十万年的石斧，可见从那时起人类就开始学习制造和使用各种简单工具了。在大约一万五千年前，古人类学会了制造和使用一些较为复杂的机械，用于农耕和放牧。大约在四千年前，人类发现了金属，从此金属制逐步取代了石器、骨制的机械。继而在两千年前发现了铁器，人类进入了铁器时代，各种复杂的工具相继发明出来，人类进入了大发展时期。而真正作为一种独立的可以承担大型作业的工程机械则是从第一次工业革命开始发展起来的。詹姆士·哈格里夫斯发明的珍妮机拉开了工业革命的序幕，瓦特改良的蒸汽机使得工业革命在欧洲蓬勃发展起来了，由此诞生了以蒸汽为动力的各种工程机械。第二次工业革命开始后，由于新能源的大规模运用，工程机械的到来极大发展。第三次工业革命至今，以原子能、电子计算机和空间技术的广泛应用为标志，信息技术，新能源技术、新材料技术、海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命大大促进了工程机械的发展，各行业的大规模启动，极大的促进了市场对于工程机械的需求量，同时广泛的市场需求和新技术的应用又带动了工程机械的发展。我国由于建国较晚，机械行业发展较晚，故在先进的生产制造水平上还与发达国家存在一定的差距。1989年3月徐工集团成立，1989年三一集团成立，这是我国较早的工程机械发展单位，但我国工程机械需求量很大，发展也很快，在2012世界工程机械50强的评比中，三一重工位列第六，中联重工紧随其后居第七位，徐工重工位居十一。虽然受经融危机的影响，近三年我国工程机械发展的较为缓慢，过去二十几年中国FAI的年均增速是20%，在此带动下，过去十年，工程机械行业的年均增速达到17%。经融危机已经过去了，由于制造业的滞后性影响，可以预见在未来2-3年内，全球的制造业的发展都将减缓甚至停止，但是此时期过去之后，工程机械行业必将迎来它极为活跃的市场，制造业将磅礴发展起来。随着全球市场竞争的日趋激烈，市场需求不断出现的新变化，企业的大型化及特有的竞争能力，必然会在产业组织结构体系中，发挥越来越大的作用，而国际范围的生产社会化程度不断提高，要求生产过程进一步专业化、标准化、协作化，这恰恰又是中小企业的长处所在。因此，现阶段以及未来一个时期，具有两极性特征的超大型企业和大量中小企业并存将成为产业组织结构发展的主要形式。与此相对照，中国工程机械行业内组织结构不合理现象仍然突出。目前，还有相当多的国有企业仍然无法成为独立的投资主体，投资约束与风险收益不对称，责权不明晰，缺乏科学的决策体制和发展战略，投资决策的主观随意性很大。另一方面，当前工程机械行业的整体效益还比较低，主要原因是产品技术含量低，技术密集的产品与用户要求差距较大，而高附加值的大型成套设备以及工程装备的核心制造能力不足，无形中给行业增加了更多的压力。因此，在继续深化国有企业改革的同时，通过体制作用调整产业的组织结构，以制度建设激发企业的自主创新的热情和积极性是十分必要的。分析人士指出，从目前产业的竞争态势来看，实现产业的转型升级是必须完成的任务。因为，制约工程机械行业长期高速发展的因素，已逐步从投资拉动向先进制造转移。对于企业而言，出路只有两个：一是继续“山寨”，在知识产权纠纷中将市场份额做到极致;二是超越“山寨”，提升自身的核心能力和国际声誉。应该看到，与装备制造业其他产业不同，在中国工程机械行业，以三一重工、中联重科为代表的一批企业对整个产业正发挥着重要的引领和推动作用。这或许是工程机械行业成为“中国装备制造业中水平最高、核心能力最强的代表”的重要原因。在CIDEG的一项研究课题中曾有这样一段评论：“在一些成功赶超的东亚经济中，政府普遍积极参与创新活动，但这些成功没有一个是依靠国有企业取得的。恰恰相反，只是由于那些渴望冲击技术前沿的私营企业的集体行动才成为可能。”假如不带偏见地观察和评估中国装备制造领域各行业的国际竞争能力，很容易发现，当主要技术资源特别是公共技术资源多由国有企业控制时，行业的竞争力一定是相对薄弱的。从这个意义上说，中国工程机械实现追赶甚至超越应该是更值得期待的。在我国，未来的工程机械发展必将走向国际化道路。中国工程机械占全球市场的15%，这些受益于质量的提升和相对优越的性价比；未来市场空间很大，需要注重海外和本土两个市场的均衡发展，这是抵御经济风险的有力措施。全球工程机械市场大概有1800亿美元，中国占有15%左右的市场份额，对于中国的工程机械企业来说，未来的市场空间很大；卡特彼勒的经验告诉我们：海外市场与本土市场的均衡发展有助于其抵御单一市场经济波动对产品销售的影响，在美国1929-1932年和1974-1975年的两次经济衰退中，正是海外市场业务帮助其抵御住了风险。中国企业生产的工程机械与国外产品相比具有明显的价格优势，我国产品价格仅仅是国外价格的60%左右，在国内企业出口渠道打通之后，中国产品显现出很强的国际竞争力。但是中国工程机械表现出结构的不平衡状态，很多类产品，如挖掘机、小型工程机械等在国际市场占有份额较低，而一些产品又是全球制造大国，未来工程机械企业的产品结构有待调整。其次，单从工程机械的技术角度讲，随着信息技术科控制技术的发展，未来工程机械的操作将越来越自动化、智能化、人性化，计算机将代替人类从事更多的工程操作以大大解放人力劳动。二、工程机械的基本信息经过近六十年的发展，我国将工程机械分为九大类。分别是：挖掘机械；起重机械；压实机械；铲土运输机械；桩工机械；钢筋混凝土机械；路面机械；凿岩机械；其他机械；由于工程机械结构复杂，工程多样，性能千差万别，但总的来说，工程机械是代替人来从事大型生产建筑作业的，诸如修路、架桥、起重物、运输、压实、钻井、采矿、挖掘等繁重任务。故在研究过程中我们小组三人分别选取其中之三作为研究对象，我选取的是（5）、（6）、（9），三个大类。桩工机械是用于各种桩基础、地基改良加固、地下挡土连续墙、地下防渗连续墙施工及其他特殊地基基础等工程施工的机械设备，其作用是将各式桩埋入土中，以提高基础的承载能力。现代造桥用的基础桩有两种基本类型：预制桩和灌注桩。前者用各种打桩机将其埋入土中，后者用钻孔机钻出深孔以灌注混凝土。根据预制桩和灌注桩的施工可把桩工机械分为预制施工机械和灌注桩施工机械两大类。如钻孔机、柴油打桩机、振动打桩机、压桩机等。钢筋混凝土机械主要用于混凝土的大量搅拌、运输、灌注以及加固，还有钢筋的加工及热处理等如混凝土搅拌机、混凝土搅拌站、混凝土搅拌楼、混凝土输送泵、混凝土搅拌输送车、混凝土喷射机、混凝土振动器、钢筋加工机械等。其他机械包括桥梁机械、隧洞机械、气动工具（风动工具）、电梯等一些特种机械。在这里，我主要介绍桩工机械中的CFG型长螺旋钻孔机，钢筋混凝土机械中的JDC混凝土搅拌机和其他机械中的架桥机。三、原理及典型机械产品eq\o\ac(○,1)桩工机械桩工机械介绍在各种桩基础施工中，用来钻孔、打桩、沉桩的机械统称为桩工机械。桩工机械一般由桩锤与桩架两部分组成。除专用桩架外，也可以在挖掘机或者其中机上设置桩架，完成打桩任务。桩工机械的主要特点是，专用性强，生产批量小打桩机的结构和工作原理利用冲击力将桩贯入地层的桩工机械。由桩锤、桩架及附属设备等组成。桩锤依附在桩架前部两根平行的竖直导杆（俗称龙门）之间，用提升吊钩吊升。桩架为一钢结构塔架,在其后部设有卷扬机,用以起吊桩和桩锤，桩架前面有两根导杆组成的导向架，用以控制打桩方向，使桩按照设计方位准确地贯入地层。塔架和导向架可以一起偏斜，用以打斜桩。导向架还能沿塔架向下引伸，用以沿堤岸或码头打水下桩。桩架能转动，也能移行。打桩机的基本技术参数是冲击部分重量、冲击动能和冲击频率。桩锤按运动的动力来源可分为落锤、汽锤、柴油锤、液压锤等。落锤打桩机桩锤是一钢质重块，由卷扬机用吊钩提升，脱钩后沿导向架自由下落而打桩。汽锤打桩机桩锤由锤头和锤座组成，以蒸汽或压缩空气为动力，有单动汽锤和双动汽锤两种。单动汽锤以柱塞或汽缸作为锤头，蒸汽驱动锤头上升，而后任其沿锤座的导杆下落而打桩。双动汽锤一般是由加重的柱塞作为锤头，以汽缸作为锤座，蒸汽驱动锤头上升，再驱动锤头向下冲击打桩。上下往复的速度快,频率高,使桩贯入地层时发生振动，可以减少摩擦阻力，打桩效果好。双向不等作用力的差动汽锤，其锤座重量轻，有效冲击重量可相对增大，性能更好。汽锤的进排汽旋阀的换向可由人工控制，也可由装在锤头一侧并随锤头升降的凸缘操纵杆自动控制，两种方式都可以调节汽锤的冲击行程。柴油锤打桩机主体也是由汽缸和柱塞组成，其工作原理和单缸二冲程柴油机相似，利用喷入汽缸燃烧室内的雾化柴油受高压高温后燃爆所产生的强大压力驱动锤头工作。柴油锤按其构造形式分导杆式和筒式。导杆式柴油锤以柱塞为锤座压在桩帽上，以汽缸为锤头沿两根导杆升降。打桩时，先将桩吊到桩架龙门中就位，再将柴油锤搁在桩顶，降下吊钩将汽缸吊起，又脱开吊钩让汽缸下落套入柱塞，将封闭在汽缸内的空气进行压缩，汽缸继续下落，直到缸体外的压销推压锤座上燃油泵的摇杆时，燃油泵就将油雾喷入缸内，油雾遇到燃点以上的高温气体，当即发生燃爆，爆发力向下冲击使桩下沉，向上顶推，使汽缸回升，待汽缸重新沿导杆坠落时，又开始第二次冲击循环。筒式柴油锤以汽缸作为锤座，并直接用加长了的缸筒内壁导向，省去了两根导杆，柱塞是锤头，可在汽缸中上下运动。打桩时，将锤座下部的桩帽压在桩顶上，用吊钩提升柱塞，然后脱钩往下冲击，压缩封闭在汽缸中的空气。并进行喷油、爆发、冲击、换气等工作过程。柴油锤的工作是靠压燃柴油来启动的，因此必须保证汽缸内的封闭气体达到一定的压缩比，有时在软土地层上打桩时,往往由于反作用力过小,压缩量不够而无法引燃起爆，就需要用吊钩多次吊起锤头脱钩冲击，才能起动。柴油锤的锤座上附有燃油喷射泵、油箱、冷却水箱及桩帽。柱塞和缸筒之间的活动间隙用弹性柱塞环密封。液压锤打桩机以油液压力为动力，可按地层土质不同调整液压，以达到适当的冲击力进行打桩，是一种新型打桩机。典型机械CFG型深孔长螺旋钻孔机由液压步履式桩架与钻进系统两部分组成。桩架主要由立柱，斜撑，起架装置，底盘，行走机构，回转机构，卷扬机构，操纵室，液压系统及电气系统组成。钻进系统主要有动力头，钻具，固定支架等组成。1、立柱由Φ820钢管加法兰盘焊制而成，上部有顶部滑轮。通过它，卷扬机可实现动力头、钢筋笼等辅具的提升、下降动作。立柱前方配有轨距600的导轨，是钻进系统的导向与支撑装置。2、斜撑斜撑上下分别与立柱和平台铰接，下部内藏一油缸，用来协助起架和调整立柱的垂直度。3、行走机构该机构采用液压步履行走机构，通过行走油缸实现每步2m的步距。桩机需移位时，操纵换向阀，使四个支腿油缸伸出接地并将桩机顶起，船型轨道离开地面，此时再操纵换向阀行走油缸联，行走油缸即推动船型轨道前进。然后收起支腿油缸，船型轨道接地，操纵换向阀行走油缸联，油缸推动桩机在船型轨道上滚动前进。行走机构与回转机构配合使用，使钻机前后左右全方位行走。4、回转机构该桩机回转机构是由驱动机构和回转支承组成，驱动采用—柱塞马达，通过一行星减速机，由小齿轮驱动回转支承大齿轮实现桩机的360度回转，采用液压马达驱动，回转平稳无冲击，提高了整机稳定性及寿命，提高了施工效率。桩机需回转移位时，先将行走油缸的活塞杆全部缩回，操纵换向阀回转马达联，桩机即可作360度回转。5、液压系统该机各动作均通过液压系统进行操作和控制的。各部动作平稳，安全可靠，操纵方便省力。主泵电机驱动一斜轴式柱塞泵给动力头提供动力，辅泵电机驱动另一斜轴式柱塞泵给主卷扬、加压卷扬、回转、行走、支腿等动作提供动力。6、卷扬机构该机卷扬机构包括一个10吨主卷扬机和一个8吨加压卷扬机，卷扬机均由液压马达驱动，操纵手柄设在驾驶室内，操纵方便，省力。10吨主卷扬用来起架与动力头的提升，8吨加压卷扬用来在钻进时给动力头施加一向下的加压力，提高钻进效率。7、动力头该机动力头采用两个液压马达驱动，动力头可自适应地层变化，根据不同的地质情况调节钻杆转速，提高工作效率。输入法兰依次与联接盘、螺旋杆，钻头联接进行钻孔作业。该机动力头上可配超流态回转接头与注浆器，以适应超流态砼施工与高压注浆等施工工艺的要求。操纵机构操纵室位于钻机后部主卷扬机前方，铁壳结构，三面开窗，可保证视野开阔，安全舒适。钻机是由电液联合控制，所有操纵电钮及手柄都置于操纵室前方的控制面板上，操作方便快捷。eq\o\ac(○,2)钢筋混凝土机械JDC强制式混凝土搅拌机从20世纪50年代初兴起后，得到了迅速的发展和推广。最先出现的是圆盘立轴式强制混凝土搅拌机。这种搅拌机分为涡桨式和行星式两种。19世纪70年代后，随着轻骨料的应用，出现了圆槽卧轴式强制搅拌机，它又分单卧轴式和双卧轴式两种，兼有自落和强制两种搅拌的特点。其搅拌叶片的线速度小，耐磨性好和耗能少，发展较快。强制式混凝土搅拌机拌筒内的转轴臂架上装有搅拌叶片，加入拌筒内的物料，在搅拌叶片的强力搅动下，形成交叉的物流。这种搅拌方式远比自落搅拌方式作用强烈，主要适于搅拌干硬性混凝土。一、工作原理

JDC强制式混凝土搅拌机是以搅拌筒呈水平位置的搅拌轴及之联接搅拌臂的转动，对拌合物料产生挤压、剪切、冲击和圆周、轴向自由落体等复杂运动。由于多种力和运动同时作用，因而在较短的时间内把混凝土搅拌均匀。

二、结构简介强制式搅拌机，由料筒、机架、电机、减速器、转动臂、搅拌铲、清料刮板等构成.由于搅拌铲与转动臂之间采用十字轴总成相连接，并设置拉杆或螺杆调控搅拌铲的工作间隙，可基本消除硬质物料卡住现象，以降低运转阻力，减少磨损。搅拌铲的工作面在垂直和水平二个方向上与前进方向的夹角为钝角，可加强搅拌效果，提高搅拌质量。出料口设在料筒的侧壁，料筒相对机架可横向摆动，并设置清料刮板，可加快出料，并更加彻底，还可减少泥浆渗漏。驱动方案：电机和传动机构置于拌筒下方;用摆线针减速机直接带动。使用中安全得到了保障，避免了些事故的发生。JDC强制式混凝土搅拌机主要由搅拌传动系统、搅拌系统、卸料机构、上料机构、供水系统、电器控制系统、机架底盘及行走装置等7大部分组成。下面我们介绍卸料机构、上料机构、供水系统。1搅拌传动系统

搅拌传动系统主要有电动机、搅拌减速箱和传动及搅拌轴等组成。电动机直接装在一个固定在机架底盘的端面上，最后动力经齿轮、联动使搅拌轴转动进行搅拌。

2搅拌系统

搅拌系统有搅拌轴、搅拌罐、轴端密封机构、支座等组成。

搅拌轴呈水平位置置于搅拌罐中心，搅拌站上装有搅拌铲片和左右刮板，搅拌罐内装有弧形衬板和端衬板、铲片、刮板与衬板间的间隙一般应调证在4mm以内。

3、JDC混凝土搅拌机的卸料机构

该机构采用新型设计高强度齿条、形成滚动式直式反转快速出料结构。本机构特点，卸料后关门时可自动清除粘在门框衬板上的混凝土，使卸料门关闭后位置准确，具有较好密封效果。料门开闭的合适位置，靠调整两个行程开关的触点位置来实现。电动操作，可大大减轻公认的劳动强度。

4、JDC混凝土搅拌机的上料机构

上料机构由上料架、料斗提升电机、减速箱等部分组成。上料架由上下两截轨道架构成，上截轨道架用螺栓固定在底盘上，上下截轨道架用螺栓、铰链连接，下截轨道架下端深入料坑，料斗的升降的用电机减速箱带动上料卷筒，通过卷筒上钢丝，带动料斗沿上料架轨道上升或下降。

5、JDC混凝土搅拌机供水系统

供水系统由电机、水泵、饮水杯、喷水罐和管路等组成。引水由引水杯罐入水泵，排出泵内空气，转动水泵，水沿管路喷入搅拌筒。供水量是通过时间继电器控制水泵电机的工作时间而实现的。根据搅拌每罐混凝土所需的供水量，将时间继电器指针调整到某一确定时间上，及供水量=时间（s）*流量（kg/s）。供水时，按动水泵电机电钮，时间继电器开始计时，供水开始，到确定的时间后，供水电路自动切断，水泵停止运转，供水结束。6、JDC型搅拌机的控制系统在机器侧向有操作按钮，通过操作按钮可实现机器的自动控制。7、在使用过程中应经常检查和调整衬板之间的间隙，并视磨损情况更换。轴端密封是搅拌系统的重要部件，JDC混凝土搅拌机采用了密封装置与搅拌轴支撑装置分离式结构。轴端密封共有三道：第一道为橡胶密封圈，第二道为浮动密封环，第三道为骨架油封。浮动密封环内均充填漏油润滑油脂。用户在使用过程中应每3个小时通过油嘴向密封环注入润滑脂，直至油污排油孔排出为止。eq\o\ac(○,3)其他机械（桥梁机械）在其他机械中本人主要介绍一下桥梁机械。近几年我国交通事业发展较快，相应的与交通相关的装备制造业发展较为迅猛，高铁开通于各大城市之间，杭州湾跨海大桥顺利建成通车，与此相关的桥梁机械也是层出不穷。下面介绍一下JQ700架桥机。工作原理：前部总成、中部总成以及纵移平车总成均设有可旋转0-45角度的旋转支座来满足架桥机斜交架梁的要求。当架桥机斜交架设时，安装时须预先将中部横梁和中部摇平滚、前部横梁和前部摇平滚、小车横梁和天车按照斜交的角度安装好。结构：导梁由双主梁架、连接销子、前部连接架、尾部连接架、钢丝绳固定架等组成。导梁下部安装有中部总成（包含2台主动平车、中部摇平滚、中部油顶等），尾部总成（包含2台尾部油顶、尾部支腿、尾部支座等），前部总成（包含2台主动平车、前部摇平滚、前部横梁等），前部临时支撑。两导梁上部焊有轨道，轨道上放置有2台纵移平车总成，纵移平车总成横梁上铺设有钢轨，供横移小车横向行走。导梁内部设有走台，架桥机过孔时人可以从走台经临时支撑下到盖梁上方。纵移平车总成是单轨主动平车，每台纵移平车总成由电气线路控制实现纵向行走。可以单独使用，也可以联机使用。横移小车由行走机构和提升机构两部分组成，提升机构实现吊装，行走机构实现横向位移。架桥机大都是根据要架设的桥梁进行制作安装的，属于大型工程机械。1—3号柱，2—辅助支腿，3—起重小车，4—2号柱，5—主梁，6—1号柱四、设计制造介绍完一些典型机械的结构以及工作原理，下面说一下设计、制造此类典型机器应具备的知识结构以及可以采取的主要设计方法和关键制造技术。eq\o\ac(○,1)钻孔机 钻孔机吨位大，结构复杂，但工作原理简单，工作效率高，适合打一些直径在800-3000的孔。在产品的设计制造过程中，通常采用常规设计方法，但是一般都会进行可行性分析并且会有反馈设计。设计人员需对材料力学、设计方法学、机械设计原理、人机工程学、系统工程学、结构设计和控制理论、机械制造以及热处理技术等有很深的理解和应用，并结合信息学和机电一体化技术对机器实行自动化控制。这种大型机械制造成本很高，而本省对安全性能的要求也很高，故在制造前应仔细分析结构和材料，并制成虚拟样机进行详细论证。制造时由于各主要零件尺寸较大，支撑结构通常采用铸造的方式进行加工，一般选用低碳合金钢，并进行热处理以消除铸造是产生的内部应力；轴承及钻杆通常采用45号钢材；而柴油机和液压系统则需根据不同的机型进行选配和定制；钻头则是根据需要进行选配和拆换，钻头通常采用金刚石材料。在装配过程中应仔细检查各部分的性能规格尺寸以及连接和传动系统的润滑，并加适量的液压油，最后还要进行装机实验才能正式投放市场。eq\o\ac(○,2)搅拌机混凝土搅拌机在房屋建筑、桥梁建筑等工程领域应用极为广泛，大中小型的都是很普遍的存在。设计此类机械时当对机器的稳定性、可操作性和工作效率做足够的考量。通常采用常规设计方法，但在设计阶段都会进行结构和控制系统的优化，并且通过实验对原机型进行反馈设计。要求设计人员对设计方法学、市场学、信息学、系统工程学、材料力学，机械设计原理，机械制造基础，人机工程学，机电一体化和控制理论等有很高的应用能力。一般说来，混凝土搅拌机的底盘、支腿和支轮都会采用HT200的材料进行铸造，因为机构需要承受很大的载荷和振动；减速箱体也采用ZG400（碳素铸钢）进行铸造并进行回火处理；而齿轮则会用45号钢或者40Cr进行冲压或成型加工，并进行热处理；提升机构一般可采用Q215A级进行冲压制造；轮胎采用橡胶材料成型制造；机器外壳和中间转体采用钢板冲压制造；控