【doc】腰椎关节突关节及椎弓峡部裂间隙矢状倾角测量和价值

第1章工程机械的作业特点§1.1工程机械的分类及应用我国的工程机械工业，在国内已经发展成了机械工业10大行业之一，在世界上也进入了工程机械生产大国行列。何谓工程机械？概括地说：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[6]。土方工程种类繁多，分布广泛。但按工程特点分析却只有两种基本形式——挖方和填方。所谓挖方，是指在建设地点将多余土方挖掉，或者在某地挖取土方用着他用而言；所谓填方，是指在建设地点进行建设时，要从别处运来土方将地面构筑得适合建设要求而言。例如，露天矿山建设过程的大量土方工程多为挖方形式。筑路工程（铁路与公路）的土方工程，凡在高于路基要求的地方施工，多为挖方形式；凡在低于路面设计要求之处施工，则多为填方形式。石方工程分布也很广泛，而且往往与土方工程相伴交叉出现，即土方工程中含有石方工程，石方工程中含有土方工程（如建筑场地平整工程、路基建设工程等）；也有单纯的石方工程，如隧道工程、建筑石料开采工程、井下矿山巷道掘进工程、井下采矿工程、露天金属矿采矿工程等。石方工程施工工艺比较复杂。首先是破碎岩石，一般有三种：一是钻爆法，二是机械切削法，三是钻孔静态破碎法。钻爆法含以下工序：穿孔、装药与爆破、排碴（无用石料）或取料（有用矿石或石料）、运输（往弃料场或石材加工厂、选矿场等地点）。图示如下：排渣（无用石料）弃石场穿孔装药爆破取料（有用石料或矿石）石料加工厂或选矿场图1—1钻爆法破碎岩石工序图在石方工程中，广泛采用钻爆法施工，其它两种方法很少用。其中机械切削法的破岩工序主要采用联合掘进机、岩石切削机、液压冲击器等设备；钻孔静态破碎法的破岩原理为：钻孔后注入静态破碎剂，靠其产生的膨胀力、蒸气破碎力、放电破碎力等相应能量破碎岩石。流动起重装卸工程，包括建筑、安装工程中的起重、调整工程、港口、车站以及各种企业生产过程中的起重装卸工程等。所用的各种工程起重机、建筑起重机以及各种叉车和其它搬运机械，能够根据工程要求而自由地移动，不受作业地点限制，故亦称流动起重装卸机械。人货升降输送工程（垂直或倾斜升降），包括在高层建筑物对人的升降运送和对货物的升降运输，采用载人电梯、扶梯和载货电梯等。各种建筑工程范围更为广泛，除房层建筑和市政建设外，还包括公路、铁路、机场、水坝、隧道、地下港口、地下管线、新城建设和旧城改造等各种基础设施工程，需要各种工程机械进行施工。综合机械化施工，是指工程工序均用相应成套的工程机械去完成而言，人力在工程中只起辅助作用和组织管理作用。综合机械化水平越高，则使用的人力就越少。相关的工业生产过程，是指与土方工程、石方工程、流动起重装卸工程、人货升降运送工程和各种建筑工程有关的工业生产过程而言。如储煤场的装卸工程、工业企业内部生产过程的装卸与运输、各种电梯的工作等等。二十世纪六十年代以前，我国建设工程机械化施工用的设备又少又落后，因而使用部门机械化施工水平很低。在经济条件下，当时机械制造部门只安排少数矿山机械制造厂和起重运输机械制造厂兼产一小部分技术性能一般化的工程机械产品。随着各种建设施工技术的发展，机械制造部门生产的工程机械产品满足不了用户需求，有关使用部门被迫利用修理厂生产部分简易的施工机具和设备自用，并根据各自不同的使用特点确定了不同的名字。那时，建筑工程系统把自己所需要的一部分工程机械称为建筑工程机械（简称建筑机械或建设机械），交通系统需要的一部分工程机械称为筑路工程机械（简称筑路机械），铁道系统需要的一部分工程机械称为线路工程机械（简称线路机械，其中包括一部分线路专用设备），水电系统需要的一部分工程机械称为水利工程机械（简称水工机械），在各种矿山现场使用的工程机械一般称之为矿山工程机械。尽管各部门所需的产品重点不同，但都是为土方工程、石方工程、不受地点限制的起重装卸工程、人货升降输送工程以及各种建筑工程机械化施工和相应生产过程的作业服务的，在国际上均属于同一大类机械产品。1960年冬，国务院和中央军委联合决定：第一机械工业部负责组织并加速发展为军委工程兵、铁道兵和民用部门工程施工用的机械设备；发展方针是：以军为主，兼顾民用。当时国家计委、国家经委、国家科委会同一机部研究发展时，首先要给这一类设备统一命名。经过讨论，决定把各部门命名中的专用形容词去掉，统称之为“工程机械”。报告呈贺龙、薄一波两位副总理批准后，“工程机械”这个行业名字就在中国正式诞生了。自从改革开放以来，我国工程机械行业已为世界各国所认定；经过国际合作交往，已明确了与有关国家相应的行业名字。其中美国和英国称作“建筑与矿山机械”，日本称作“建设机械”，德国称作“建筑机械与装置”，独联体与东欧诸国统称为“建筑与筑路机械”。虽然各国对该行业确定的产品范围互有差异，但其主要服务领域、产品分类、生产工艺技术、科研设计理论、试验方案以及采用的各种等，都基本上是一致的。综上所述，我国的工程机械是各使用部门施工和作业所用机械的总称，包括建筑机械、铁路与公路工程机械、矿山机械、水电工程机械、林业机械、港口机械、起重运输机械等。更详细的说，工程机械包括以下18大类：1、挖掘机械（单斗挖掘机、挖掘装载机、斗轮挖掘机、掘进机械等）；2、铲土运输机械（推土机、装载机、铲运机、平地机、自卸车等）；3、工程起重机械（塔式起重机、轮式起重机、履带式起重机、卷扬机、施工升降机、高空作业机械等）；4、工业车辆（叉车、堆垛机、牵引车等）；5、压实机械（压路机、夯实机械等）；6、路面机械（摊铺机、拌和设备、路面养护机械等）；7、桩工机械（打桩机、压桩机、钻孔机等）；8、混凝土机械（混凝土搅拌车、搅拌楼、振动器、混凝土泵、混凝土泵车、混凝土制品机械等）；9、钢筋和预应力机械（钢筋加工机械、预应力机械、钢筋焊机等）；10、装修机械（涂料喷刷机械、地面修整机械、擦窗机等）；11、凿岩机械（凿岩机、破碎机、钻机（车）等）；12、气动工具（回转式及冲击式气动工具、气动马达等）；13、铁道线路机械（道床作业机械、轨排轨枕机械等）；14、市政工程与环卫机械（市政机械、环卫机械、垃圾处理设备、园林机械等）；15、军用工程机械（路桥机械、军用工程车辆、挖壕机等）；16、电梯与扶梯（电梯、扶梯、自动人行道等）；17、工程机械专用零部件（液压件、传动件、驾驶室设备等）；18、其它专用工程机械（电站专用、水利专用工程机械等）。此外，工程机械与农用机械也有许多共同之处，例如履带式和轮式车辆的行驶理论等，同时，拖拉机常常是拖式机械的牵引车辆。工程机械的用途分施工和作业。这是两个不同的概念。所谓施工，是指工程机械在各种建设工程中的工作而言，一旦工程完成了，工程机械也就撤走了。如修筑高速公路要使用相应的工程机械，当高速公路建成后，除去少数对公路进行维护保养的工程机械产品之外，建设过程中所用的工程机械都见不到了。工程机械在这种情况下的工作，称为施工。所谓作业，是指工程机械在工业生产过程中的工作而言。如金属露天矿掌子面要使用挖掘机、推土机等工程机械产品，爆破后挖掘机将矿石装到运输车上，推土机将散落的矿石收集到装车地点。挖掘机和推土机周而复始地重复进行工作，这就是作业。工程机械产品的分类，是根据产品结构特点、工作对象和主要用途三重标准划分的，分类、组、系列、基型、规格等五个层次。现有产品按行业规划组编辑的《工程机械类组划分（初稿）》的规定，共分18类、122组、567个系列、3000多个基型产品、近万种产品规格。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）。截止2001年，全行业生产企业近1500个，年销售额达560亿元，出口额达7亿美元。工程机械用途广泛，市场遍布于国民经济各部门，其中主要有交通运输（铁路建设、公路建设、水运建设、民航建设、管道建设）、能源（电力建设、煤炭发展、石油发展）、原材料（黑色金属发展、有色金属发展、化工原料和建筑材料发展）、农林水利（农村经济发展、林业发展、水利事业）、城乡发展以及现代化国防六大领域。工程机械是保证各种工程建设高速度、高质量、低成本的重要手段。世界经济发展经验证明：现代化建设速度，在很大程度上取决于工程建设速度；而工程机械水平的高低，又直接对工程建设速度发挥着促进或抑制的作用。因此，世界工业发达国家都把工程机械作为重点行业发展。建筑与筑路机械的名称来源于前苏联，俄文为СТРОИТЕЛЬНЫЕИДОРОЖНЫЕМАШИНЫ,简写为СДМ。筑路机械可以保证路面铺筑、道路修理和养护过程的全工艺工序的机械化和自动化[1]。公路建设的主要施工作业包括路基的准备，必要的建筑材料的开采、制配和运输，桥涵建筑物、路面、通道和其他设施的建设等。道路建设机械化和自动化要用多种机械系统，包括由施工过程决定的五种主要机组：（1）路基施工用机械；（1）路面铺筑机械；（1）桥涵和边坡施工机械；（1）道路建筑材料开采和加工设备；（1）运输设备。上述五种主要机组，若按机械的类型划分又可分为：土石方机械，压实机械，路面机械，桥梁机械和隧道机械等五大类。道路维修和养护的机械化和自动化也要用多种机械系统，主要包括五种机组：（1）全天侯养护机组；（1）道路清障和划线机械；（1）绿化植树和道路设施维修用机械；（1）路基、建筑物、桥涵、排水沟和路面定期维修用机械；（1）路面和建筑物拆除和翻修用机械。§1.2工程机械的作业特点和性能要求工程机械种类繁多，大多在野外作业，其作业特点和对机械的性能的要求有以下特殊之处：第一，工程质量是百年大计，对机械作业质量的要求越来越高，机电液一体化技术得到了广泛的应用。如，路面的平整度、承载能力和寿命，对路面机械的各项性能都提出了较严格的要求。作业质量控制的对策主要有两条：一方面应加紧新型工作原理机器的研究，另一方面就是采用机电液一体化技术来提高机器的性能。第二，工程机械工况复杂，作业对象多变，常常在变载荷情况下工作，对机器的可靠性和适应能力有较高的要求。例如铲土运输机械，铲土、运土、卸土、回程。铲土中可能遇到石块、树根等障碍，土壤的湿度、坚硬程度、成分随作业地段和区域不同也总在变化，机器总处于变载荷、甚至超载荷的工作状态。要保证机器连续可靠的工作，除对机器作业实行有效的控制外，对机器的设计和使用都提出了新的要求。显然，傻、大、粗、笨不是解决问题的根本办法。机器性能要满足使用要求，必须进行机器动态性能的研究，知道机器的实际使用性能，而不仅仅是台架上测得的静态性能。这是机器牵引动力学和可靠性设计的依据。机器牵引动力学就是要弄清机器工作过程中的牵引性能，各参数的合理匹配程度，行驶能力。工程机械性能与车辆地面力学是牵引动力学研究的主要内容。由测试机器动态性能所获得的数据可知道外界载荷和作用在机器零、部件上载荷的变化。由于机器作业对象的状态和环境条件呈随机性变化，因此载荷也往往是随机变化的。应用概率统计的方法得到的载荷谱，是机器可靠性设计的真实依据。第三，机器工作装置与作业对象的相互作用过程和机理的研究，是设计机器和改善其性能的关键。机器的作业实际是靠工作装置来改变作业对象，这涉及机械工程和土木工程两大学科。只有将机械和土木工程的知识紧密结合起来，才可能找到创新的突破口。第四，机器的性能应与施工工艺相适应。采取先进的施工工艺，改进传统的施工方法，不仅能保证施工质量，而且会带来巨大的经济和社会效益。在机器设计和使用时，除应注意满足施工的各项要求外，还应注重施工工艺的变更与进步。1.2.1液压传动众所周知，机器一般由五大部分组成：原动机部分，传动部分，执行部分，控制系统，辅助系统，例如润滑、显示、照明等，如图1—2。　　　　　　　　　　　　　图1—2机器的组成现代工程机械越来越广泛地使用液压传动，这是因为液压传动有诸多优点[2]。(1)在同等功率下，液压装置的体积小，质量轻，结构紧凑。例如液压马达的体积和质量只是同等功率电动机的12%左右。(2)液压装置工作比较平稳。由于质量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压装置的换向频率在实现往复回转运动时可达550次/min，实现往复直线运动时可达1000次/min。(3)液压装置能在较大范围内实现无级调速(调速范围可达2000),它还可以在运行的过程中进行调速。(4)液压传动易于实现自动化。这是因为它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制的缘故。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。近年来液压传动和微电子技术密切结合，得以在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以精确控制。（5）液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达能长期在失速状态下工作而不会过载，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。液压件能自行润滑，使用寿命较长。（6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也具有较大的机动性。（7）液压传动来实现直线运动远比机械传动简单。因此，尽管液压传动不能保证严格的传动比，能量损失较大，对油温变化较敏感，制造精度要求高，成本较高等。表1—1列出了液压传动在各类机械制造业中的应用实例。表1—1液压传动的应用实例行业名称应用机械举例铲土运输机械挖掘机，装载机，推土机，铲运机，平地机，松土器等。路面机械压路机，摊铺机，稳定土拌和机等。起重运输机械汽车吊，港口龙门吊，叉车，装卸机械，皮带运输机等。矿山机械凿岩机，开掘机，开采机，破碎机，提升机，液压支架等。建筑机械打桩机，液压千斤顶，搅拌机等。农业机械联合收割机，拖拉机，农机悬挂系统等。冶金机械电炉炉顶及电机升降机，轧钢机，压力机等。轻工机械打包机，注塑机，校直机，橡胶硫化机，造纸机等。汽车工业自卸式汽车，平板车，高空作业车，汽车中的转向器，减振器等。智能机械折臂式小汽车装卸器，数字式体育锻炼机，模拟驾驶舱，机器人等。制造机械各种机床上。工程机械的工作机构速度低，需要输出的力矩或力却很大，行走机构又有不同的速度要求。工程机械多变的作业负荷和介质、恶劣的作业环境和严格的作业质量要求，不仅要求发动机、传动系统及工作装置可靠性要好，而且适应性要强，便于自动控制。因此，区别于其他机械，现代工程机械是机、电、液、信一体化产品，国外95％以上的工程机械采用了液压传动。液压传动已全部或部分地代替了传统的机械传动,或与机械传动相结合形成了混合传动，仍保留了机械传动寿命长、可靠性高、成本较低的优点。液压传动的普及，便于应用机电液一体化技术来改善机器的作业性能和实现智能化，显著地提高机器的作业效率和作业质量。1.2.2机电一体化技术一般来说，机电一体化产品有六大共性关键技术[3]：（1）精密机械技术—机电一体化技术的基础；（1）伺服传动技术—机电一体化系统的核心部分；（1）传感检测技术—闭环系统的关键部件；（1）信号处理技术—控制的基础技术；（1）自动控制技术—计算机控制的关键技术；（1）系统总体技术—包括系统的总体设计和接口技术，即用跨学科的思维能力来进行综合集成。机电一体化产品的核心是计算机控制的伺服系统，其它都是与此匹配的重要部分。机电一体化产品具有很强的信息加工处理能力，能实现精确的自动控制。机电一体化技术是通过信息技术将机械技术与电子技术融为一体。按机电一体化系统的功能要求，其结构组成基本上分为五大部分：动力源，计算机，检测器（传感器），执行器和机械装置。这里计算机是广义的，包括微处理器、微机系统、PLC（可编程序控制器）、专用控制器、专用控制芯片等。这五部分构成机电一体化系统的内部系统，其关系如图1—3所示。如果考虑到外部系统，则还包括人机信息交换的接口设备及外部环境的干扰。干扰外部输入外部输出图1—3机电一体化系统从功能上说，一个机电一体化系统输入物质、能源、信息，对它们进行若干加工后再输出要求的物质、能源、信息。其中信息处理和系统控制都依赖于计算机，而传统的机械技术主要是在以物质和能源为对象的系统中发挥作用。实质上，图1—3和图1—2所示的机器的组成是统一的。只是阐明问题的侧重点不同而已。还应注意，从结构上看，除了上述模块结构外，机电一体化系统各组成部分也在复合一体化。如复合的多功能传感器、执行器和检测器装成一体的带编码器的伺服电机。由于液压与液力传动在工程机械中的广泛应用，为突出这一特点，常将工程机械的机电一体化称之为机电液一体化技术。它主要有两个方面的内容：一是以简化驾驶操作，提高车辆的动力性、经济性和作业效率，节省能源为目的的技术，如自动换档系统、挖掘机多动作复合功能系统等；二是以提高作业质量为目的的控制技术，如摊铺机、平地机自动找平和恒速控制系统，振动压路机“软”起振与停振系统，振动块旋转方向与行驶方向一致的控制系统等。电液控制技术兼备了电子和液压技术的优势，为各种工程机械提供了一种自动控制的新手段。反过来，机电液一体化技术的发展，不仅使传统的机械装置，而且使液压系统和元件都发生了实质性变化[4]。工程机械的机电液一体化技术主要用在整机性能监控、转向、行驶驱动和工作装置上，如图1—4所示。图1—4机电液一体化技术在工程机械上的应用机电液一体化技术是随着微电子技术的发展而形成的一门综合性很强的高新技术，涉及到机械学、微电子学、控制工程、计算机技术等多方面的内容。机、电、液的有机结合，使工程机械作业的精确度和自动化程度显著提高，并产生许多过去无法实现的新功能，如自适应和优化控制，实时检测和故障诊断、遥控等，是机械智能化的基础。1.2.3机群智能化工程机械1．问题的提出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。怎样实现从生产大国向生产强国的跨越，加强技术创新是首要任务。加强技术创新的突破口是什么？我们再不能模仿别人，而应该根据工程机械的发展趋势，把机群智能化工程机械提到议事日程，用信息技术提升工程机械的整体水平，发挥后发优势，努力实现技术的跨越式发展。2．机群智能化工程机械的意义机群智能化工程机械是指为完成高速公路等建设项目，以实现最优工作效率和最佳的工作质量的同步施工的智能工程机械的组合。通过对选配的智能化单机的状态、位置、性能、工作质量和施工进度的在线检测，由机群主控站根据施工要求完成机群施工的优化调度和动态管理，完成施工管理部门、机器制造商、施工材料供应商间的有机联系与合作，发挥机群的整体优势和内在潜力，实现施工质量好、资源利用充分、效率高、成本低的综合目标。机群智能化将CIMS理念和信息技术应用在工程施工系统，它综合了工程施工和管理、作业状态的在线监测和故障诊断、自动控制、网络通信、动态优化调度等技术，既体现了智能化工程机械单机技术的发展方向，又是施工与管理技术的创新。机群智能化工程机械是市场需求和市场竞争的结果。随着工程建设对施工质量、综合经济效益、资源利用和环境保护的需求日益严格，产品间的竞争不仅要求品质优越，而且要求零距离的快捷服务，利用信息技术实现工程机械生产、管理与售后服务的多方位和远程信息交流势在必行。机群智能化工程机械是技术发展的一次大跨越。只有利用信息技术提升我国工程机械的技术水平，才能跳出低水平、低价格恶性竞争的怪圈，提高我国工程机械的国际竞争力。机群智能化工程机械把工程机械、施工工艺及施工管理作为一个系统，用系统综合效益及施工质量最佳来确定单机的发展及其匹配，对相关单机的智能化提出了更高的要求，促进了单机产品的更新换代。机群智能化工程机械必将带动工程机械行业的发展。机群智能化是信息化带动工业化战略在工程机械领域的具体实践，必将形成一些有我国自主知识产权的核心技术和一批行业技术标准，促使产品功能的完善和性能的全面提升，带动整个工程机械行业的技术进步。机群智能化工程机械是对传统的机器设计和使用理念的更新。机群概念改变了制造和使用企业多年来追求单机高性能的传统思想，而代之以系统集成的思想，这对机器的设计和使用都提出了新的要求，提出了一种全新的工程机械设计和施工理念。这种新理念必将促进我国工程机械行业的发展。机群智能化工程机械是施工技术发展的必然需求，必将推动施工与管理技术的变革和进步。长期以来，在许多工程建设中，从设备选型与配套、作业质量及进度的控制、施工过程及机器使用的管理等都处于一种相对松散的原始状态，造成了工程建设中不同程度的浪费，甚至滋生了造假现象，出现了某些“豆腐渣”工程。机群智能化工程机械由机群主控站根据施工任务完成机群动态组织、施工动态优化调度和集团管理，既发挥了机群整体优势，又发挥了单机的潜力。同时，通过对机群施工过程的监控，自动完成信息的多方传递及其施工过程的管理，人为监管转换为辅助手段，实现了施工过程管理的规范化和科学化，实现了人—机器—环境的和谐与统一，可同时满足工程建设中施工质量、综合经济效益、资源节省与环境保护等多项要求。机群智能化将产生巨大的经济效益和显著的社会效益。机群智能化技术将首先在国家高速公路建设重点项目中试用，预计施工综合效益可进一步提高，施工设备维护成本会较大幅度的下降，施工质量可达到世界先进水平。获得成功后要推广应用到其它施工领域，使我国工程机械行业真正步入依靠技术创新的发展之路。3．机群智能化的关键技术机群智能化的基础是相应单机的智能化。智能工程机械是从机械、施工与管理的系统观点来开发的机、电、液、信一体化产品，是从产品的功能、使用环境与人相和谐的系统观点来开发的生态化产品。区别于其它机械，工程机械的机电一体化是机电液信一体化。工程机械的工作机构速度低，需要输出的力或力矩很大，空载行驶时速度却相对较高，需要频繁的变速换向，采用液压传动是较合适的方案。液压传动的另一个显著特点是适于自动控制。因此，国外95%以上的工程机械采用液压传动。工程机械作业环境恶劣，作业对象和负荷多变，且负荷变化剧烈，严格的作业质量和恶劣的作业条件要求机器不仅可靠性要好，而且适应性要强。适应性指在不同工况、不同作业对象、不同负荷、不同环境时机器都能满足最优输出的要求。这只有机电液一体化的智能工程机械才能胜任。例如，即是同一被压实介质，初始状态和物理性质也不相同，这些性质和状态在压实过程中又是不断变化的，且被压实介质有多种类型，只有对压实工作装置——土壤系统的状态及参数准确地辨识，自动变换工作装置的输出振幅、频率和激振力的大小，才能保证压实质量和压实效率都较好。本世纪初国外已开发了这样的智能压路机。智能工程机械是计算机控制的以伺服系统为核心的电控装置与发动机、传动系统、行走系统和工作装置的完美匹配与结合。因此，描述机器各总成工作状态的多变量的数学模型是实现智能化的关键。只有继续开展机器各总成参数合理匹配及整机动态性能的试验研究，开展机器工作装置与作业介质相互作用过程的试验研究，才有可能建立机器多变量控制的数学模型，这也是研制有自主知识产权的微控制器及电控系统的必要条件。因此，描述单机工作状态的多变量的数学模型及其相应的控制系统是实现机群智能化的关键技术。相关智能工程机械组成机群后，构成了一个链式系统，又与外围各环节（包括人、环境等）相互制约。如何发挥机群的整体优势及单机的潜力，如何实现人——机群——环境的和谐统一，如何适应各种不同的施工条件，保证施工质量和效率都满足要求，等等。机群必须有一个信息网络系统的平台，要具有能对工作状态在线检测、综合分析、优化调度和实时控制的能力。因此，机群工作过程的数学模型及智能控制是实现机群智能化工程机械的又一个关键技术。4．结语实施工程机械智能化的技术发展战略，是实现我国工程机械跨越式发展的必由之路。工程机械作为人类改造自然的工具，作业环境恶劣，作业对象和负荷多变，机群智能化的研究必须注意这一作业特点及其相应的性能要求。工程机械的智能化，希望机器应象人一样能对不同的环境和作业过程有较强的适应能力，这是机群智能化的主要标志。因此，实现工程机械的智能化，用信息化改造传统的工程机械就有二个主要任务：一是要完善机器的机电液信一体化的硬件系统，二是要开发配套的电控系统及其相应的管理软件。显然，主要工作量应是后者，它包含了上述的两个关键技术：建立符合实际的单机工作状态的多变量的数学模型及其相应的控制系统，以及建立符合实际的机群工作过程的数学模型及其智能控制系统。这只有对机器不同工作过程进行大量的试验研究，获得足够的第一手资料和数据，经过统计分析和处理后才会得到可靠的依据。例如，BOMAG公司用了近10年时间，积累了数万个数据，才开发成功了智能压路机的计算机管理软件。这一艰辛的试验研究工作，是实现机群智能化工程机械的基础。1.2.4载荷谱及其应用[5]目前，在工程机械零部件强度计算中，选取计算载荷的方法一般是以恒定值乘以动载系数。如在传动系计算中，这一恒定值一般是按发动机额定扭矩和地面附着极限二者中的较小值而确定的。由于它不能反映机器的真实载荷，因此，这种强度计算只是粗略的，仅具有对比计算意义。一般的说，工程机械载荷，如扭矩、弯矩、力、加速度等不是确定的和有规律的，即在一定条件下（如某一时刻），载荷发生的结果不是唯一的一个，而有多种可能发生的结果，为一随机过程，必须采用概率统计方法来分析随机载荷。随机变化着的载荷，有其统计特性，表示这种特性的图形、表格、数字、矩阵等统称载荷谱。常见的型式有：表示各种不同大小载荷出现次数的载荷频次图（图1—5）；表示不同频率下载荷能量分布的功率谱密度图（图1—6）；载荷频率直方图（图1—7）等。它们都从不同角度表示载荷的统计变化规律，说明了载荷最基本的特性。载荷的统计分析方法分为两大类：（1）计数法：计数法是统计各种不同大小载荷出现的频次,一般得到载荷频次图,可供程序疲劳试验加载用。这种方法没有表示载荷的频率及发生的次序，因此不够精确和严密。其中,又有多种,如:峰值法、振幅法及雨流法等。（2）功率谱法：功率谱法是算出载荷的功率谱密度函数，可作为随机频谱试验加载的参数谱，是一种较精确和严密的方法。图1—5载荷频次图图1—6功率谱密度图图1—7一种典型的载荷频率直方图图1—8载荷谱制取和应用简图图1—8为载荷谱制取和应用框图。通过它可以了解载荷幅值分布及频率结构，有助于阐明零部件损坏原因及防止措施，也可作为模拟试验加载的依据。同时，丰富的幅频信息也可用于评价产品性能、故障诊断等多种用途。这是随机振动信号处理与分析技术要深入探讨的内容。比如，根据功率谱密度图（图1—9）来评价座位的舒适性。由于人的胸腹系统在3～6Hz范围内出现明显的谐振效应，使人疲劳、头晕、难受。因此座位2的舒适性比座位1的好。图1—9座位加速度功率谱密度图先讨论载荷谱在模拟试验时的应用。根据实际使用效果考核零部件的寿命的周期过长。最初的室内强化试验采用“等幅寿命试验”。由于等幅载荷不能代表机器真实载荷，目前它仅限于验证性或对比性试验。20世纪60年代，国外发展了试验场（如前苏联的НАТИ，美国的万国公司等），它是利用室外跑道上人为设置故障物或负荷车施加载荷进行寿命试验的。所施加的载荷不是真实载荷，具有周期和半经验性质，其结果是粗略的，但在产品研制中有一定作用。20世纪60年代末，室内模拟试验得到了迅速发展。它根据载荷谱施加的载荷去模拟真实的现场载荷。从概率统计观点和造成的疲劳损伤来看，两种载荷是等效的。因此，室内模拟实验的效果如同现场使用一样。模拟试验大致分为：程序疲劳试验（1935年Gassner首次提出），使用再现试验和随机频谱试验，如图1—10所示。程序疲劳试验简便，花费少，研究较深入，后两种属于随机性质的试验，较为严密和精确。图1—10室内模拟试验方案图一般产品设计的图纸有限，设计计算资料较多，而对样机采集的载荷最多。图1—11为三者的比例示意图。图1-11产品图纸、计算资料、载荷谱比例示意图图1—12模拟量随机振动控制系统方框图控制系统是保证按预定的载荷谱加载的关键。20世纪50年代开始使用模拟连续量控制实现随机加载，如图1—12所示。模拟量控制简便、费用省。70年代初，由于计算机和快速傅立叶变换的应用，出现了由计算机对数字量控制的数控系统,如图1—13所示。相比之下，数控系统有明显的优点：精度高，易于改变试验方法，这只需变更计算机软件。还可利用计算机完成试验数据处理等功能。图1—13数字量随机振动控制系统方框图下面讨论依据载荷谱，根据累积损伤理论来预估产品寿命的方法。损伤的直接理解就是材料的损坏程度。在外加循环应力作用下，损伤逐步累积，最后达到疲劳破坏，这就是累积损伤。1921年Moore及Komers首先提出此概念，1924年Palmgren首次将它应用在球轴承上，1945年Miner总结成线性累积损伤理论，在估算寿命方面得到了广泛应用。研究损伤累积致使材料破坏之规律的理论称累积损伤理论。可以分成两大类：(1)线性累积损伤理论以Miner为代表，又称Palmgren—Miner理论。当材料受到多级应力条件作用时，其损伤度D线性地分配给各循环，如某级应力（如最大应力σ1）作用时，循环N1次破坏，则每一循环的损伤度。若在各级应力、…单独作用时，相应着破坏的循环次数分别为N1、N2…Nk。实际各级应力的循环次数分别为n1、n2…nk，则累计损伤度D为：（1—1）当D=1时破坏。试验证实：D并不恰好为1。一般，当应力级由大到小时D<1,由小到大时D>1，通常D=0.5～1.49。（2）修正的线性累计损伤理论为了考虑应力级间相互影响及低于永久疲劳极限以下应力的作用，许多学者提出了修正的线性累计损伤理论：（1—2）式中，N为至破坏时总循环次数，N1为在最大应力σ1作用下至破坏的循环次数，αi为第i个应力σi作用下，施加的循环数ni与总循环数之比，d为疲劳极限曲线σ—N的线性部分的斜率指数，一般d=4～8。对标准的σ—N曲线d=d0，为线性累积损伤理论，对修正的σ—N曲线（图1—14中虚线）d=d1（或d2），为修正的线性理论。当已知材料的σ—N曲线，给定使用载荷（或应力）谱时，将应力谱分成多级应力谱（见图1—15），可根据累积损伤理论计算其使用寿命N，这可由计算机来辅助完成。与根据载荷谱加载的模拟试验来预估疲劳寿命相比较，这种计算也仅是粗略的估算。但比选取动载系数的方法要精确。最好是将模拟试验与累积损伤理论结合起来，相辅相成。例如d的取值应结合模拟试验结果来决定。综上所述，载荷谱表示随机载荷的统计特性，它说明了载荷的基本性质，可作为模拟试验加载的依据，性能评价的参考标准，累积损伤寿命计算的原始资料。在产品设计和研制中，准确的载荷谱是必不缺少的。因此，国外对载荷谱进行了大量研究和采集工作，而且一般不轻易公开。相比而言，我国在这方面的研究却进行的很少。图1—14累积损伤理论的原理图1—15累积损伤理论的应用参考文献:[1]张世英等，筑路机械工程，北京：机械工业出版社，1998[2]张宏甲等，液压传动，北京：机械工业出版社，1993[3]卢金鼎等，机电一体化技术，北京：中国轻工业出版社，1996[4]焦生杰，现代筑路机械电液控制技术，北京：人民交通出版社，1998[5]冯锡曙，拖拉机载荷谱与模拟试验，洛拖研究所编，国外拖拉机参考资料，1980[6]杨红旗，中国工程机械行业的回顾与瞻望，工程机械(增刊)，2002.11友情提示：本资料代表个人观点，如有帮助请下载，谢谢您的浏览！运输运输辅助系统，例如润滑、显示、照明等　传动系统　原动机部分　执行部分　控制系统外部输出外部输入动力源执行器计算机　检测器机械装置整理为word格式整理为word格式整理为word格式