学科前沿与发展动态

机械工程学科前沿与发展动态综述在国家自然科学基金等的支持下，机械工程研究领域近年来取得了一系列突出进展和原创性成果，为我国机械工程和经济建设提供了大批新理论、新技术和新方法，在国内外产生了重要影响，有的领域已在国际学术界占有一席之地。虽然如此，我国机械工程科学在国际上总体还处于落后地位。未来制造业发展总趋势是全球化、信息化、绿色化、知识化和极端化。制造技术的发展总趋势是基于资源节约和环境保护基础上的数字网络化、高效精确化、智能集成化及制造极端化。机械工程是以数学、力学等为代表的相关自然科学和以设计学、材料学、制造学为代表的技术科学为理论基础，结合在生产实践中积累的技术经验，研究和解决在开发设计、制造、安装、运用和维修各种机械中理论和实际问题的应用学科。机械工程研究是先进制造技术的不竭源泉。推动我国制造业自主发展的主要驱动力是先进制造技术，航天和国防先进装备几乎完全立足于自主创新技术。在航空、车辆、家电、微电子、轻工业、石化、工程机械等制造业，自主创新的技术和自主品牌也越来越多。在国家自然科学基金等的资助下，机械工程研究近年来取得了一系列突出进展和原创性成果，为我国机械工程和经济建设提供了大批新理论、新技和新方法，在国内外产生了重要影响，有的领域已在国际学术界占有一席之地。一、国内外发展趋势及展望（一）国内机械工程的展望与发展趋势：1、 机械工程的未来展望日前，由中国机械工程学会组织编写、中国科学技术出版社出版的《中国机械工程技术路线图》在京隆重推出。该书在历时一年多的编写过程中，倾注了包括19名两院院士在内的100多名专家的心血，横跨中国机械工程技术11个领域。它的出版有望在未来的20年中，引导我国机械制造技术实现自主创新、重点跨越、全面发展。当今世界科技创新日新月异，信息化、知识化、现代化、全球化的发展势不可当，新兴发展中国家快速崛起，世界经济和财力正处于大调整、大变革、大创新、大发展的时期，我国制造业也将迎来新的发展战略机遇期和挑战。对未来20年机械工程技术发展进行了预测和展望，明确、清晰地提出了面向2030年机械工程技术发展的五大趋势和八大技术。五大趋势包括绿色、智能、超常、融合、服务。八大技术包括复杂机电系统的创意、建模、仿真与优化设计技术，零件精确成形技术，大型结构件成形技术，高速精密加工技术，微纳器件与系统，智能制造设备，智能化集成化传动技术，数字化工程等八大技术。这些技术对未来装备制造业发展具有重大影响，既立足于中国装备技术发展的实际，又把握了国际装备技术的发展趋势。它们的突破将提升我国重大装备发展的基础、关键核心技术创新和重大的集成创新能力，提升我国制造业的国际竞争力以及在国际分工中的地位，将深刻影响我国制造业未来的发展方向。2、 机械工程的趋势研究世界经济的增长离不开机械制造业的持续发展，而机械制造业也是始终伴随着世界经济的不断增长而不断的发展变化着。预估，全球机械制造业在2010年-2015年间的平均增长率将在7.8%左右。未来，世界机械制造业的发展将会有三大趋势，分别为整个机械制造业的重心将迁向亚洲；全球市场的竞争将聚集中端市场；节能环保将越来越受到用户和制造商的重视。未来，我国将是主导全球机械制造业的主要力量。“十二五”期间，我国国内生产制造业仍将保持远高于发达国家普遍3%不到的增长速度，无疑会拉动今后几年中国机械制造业的高速增长；再次，我国的机械制造业以其巨大的规模优势逐渐获得全球机械制造业的领导权。最后是中欧两地在两种不同的心态下其机械制造业技术的差距预期将在未来几年不断缩小。节能环保是工程机械行业发展的大趋势，机械制造业自然也无法置身事外，但正如清洁能源的利用一样，但总体上来说，随着世界各国尤其是新兴市场国家对节能环保的关注度的提高，机械制造业转向更加环境友好更加低能耗排放的趋势是不可扭转的。据发布的《2011-2016年中国农、林、牧、渔专用机械制造市场分析深度研究报告》显示：未来，我国机械工业有三大发展趋势分别是聚集中端、大型化、智能化。先进制造技术是面向全球竞争的目前每一国家都处于全球化市场中。一个国家的先进制造技术是支持该国制造业在全球范围市场的竞争力。因此，先进制造技术的主体应具有世界水平。我国正在以前所未有的速度进入全球化的国际市场,开发和应用适合国情的先进制造技术势在必行。进入21世纪，科学技术以更加迅速的速度发展，以因特网为代表的信息技术得到广泛应用，人类社会正开始走向知识经济的新时代。以分子原子等为对象的纳米制造和以及因技术为核心的生物制造将闪亮登场，机械工程及机械制造业将进入一个崭新的发展阶段。（二）国外机械行业新技术及发展趋势：近年来，国外工程机械产品以电子、信息技术为先导，在计算机故障诊断与监控、精确定位与作业、发动机燃料燃烧控制和人机工程学等方面，进行大量的研究。开发出与各种工程机械相匹配的软、硬件系统，使工程机械向信息化、智能化方向大步前进，提高了工程机械的高科技含量，促进了工程机械的发展。1、 推土机作业控制与指导系统Leica公司采用基于GPS技术与数字地图技术的Dozer2000导航系统，在驾驶室内装有触摸计算机，可实时显示机器在作业区内的位置、作业区域实际值与设计值的差距及相关信息，即使是毫无经验的驾驶员，也能有效地完成诸如坡度作业等作业要求。Trimble公司的产品是SiteVisionGPS，可实现坡度的精确控制，驾驶室内可视化显示系统指导驾驶员精确作业，精度可达厘米级。2、 计算机机故障诊断系统机载计算机可根据各种传感器的检测信号，结合专家知识库对机器的运行状态进行评估，预测可能出现的故障；在出现故障时发出故障信息或指导驾驶员查找和排除故障。3、 称量系统自动称量并显示铲斗的净装载量，测量误差小于3%4、 柴油发动机控制管理系统该系统是一个基于单片机的燃油喷射控制与发动机最佳性能调节系统，可提高燃料的利用率，确保发动机排出的废气符合环境控制法规要求；该系统还可通过CAN总线与其他设备进行通信，使整台机器构成一个完整的管理系统。CAT3516B型发动机装备有此系统。5、 换挡控制系统根据机器的行驶速度与负载状态自动换挡，并使发动机转速与运行工况相匹配，达到节能目的。6、 人机工程学的普遍应用国外工程机械特别注重驾驶员与操作界面的协调，讲求操作的舒适性。触摸屏、文本图形显示器、无线遥控器和多功能操作手柄应用普遍，操作面板布局合理。7、 控制系统可靠性进一步加强性能可靠的移动设备专用控制器与显示器得到普遍采用，如EPC公司生产的系列控制器产品，该产品防护等级高、工作温度范围宽、具有多个PWM输出端及大电流输出端、CAN总线与RS232通讯接口，是一款专门针对工程车辆等移动设备而开发的控制器。集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统将成为主流开发方向，并广泛应用于工程机械的产品设计中，计算机输助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统将依托微电子技术与信息技术的广泛应用而不断完善；电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置将被广泛采用；用于物料精确挖（铲）、装、载、运作业的工程机械将安装GPS定位与载量自动称量装置。以施工工艺研究为基础，以计算机技术、微电子技术、信息技术、无线通讯技术和自动控制技术的综合应用为手段，各种施工机群（如用于高速公路施工的沥青搅拌站、沥青运输车、沥青转运车和沥青摊铺机即组成一个施工机群）的智能化研究将相继展开。可以预见，在不久的将来工程施工管理与过程控制都将实现智能化，施工质量也将得到全过程的控制，保证在设计要求的范围内。二、机械行业发展过程中出现的典型难题1、 自主创新能力明显薄弱我国机械工业的产业规模虽已位居世界首位，但目前高端装备仍满足不了需要，不得不大量进口。2010年进口机械产品用汇高达2553亿美元。行业中低端产能过剩、高端严重不足的矛盾非常突出。之所以如此，原因就在于自主创新能力薄弱，无法有效地支撑产品升级。多年来，相当多的企业过分看重当期发展速度，追求短平快，重当前、轻长远；重制造、轻研发；重引进、轻消化；重硬件、轻软件；重物质、轻人才。从而导致研发投入严重不足，研发条件普遍落后，研发经验缺乏积累。尤其是广大中小企业缺乏公共技术服务平台的支撑，技术创新更是心有余而力不足。自主创新能力薄弱不仅导致低端产能过剩、高端不足；而且影响行业的发展后劲，影响我国际竞争力的提升；更为严重的是累及行业发展方式的转变和科学发展观的贯彻，因此是行业发展中的心腹之患，必须高度重视并尽快解决。2、 基础发展严重滞后与快速发展的主机产品相比，基础零部件及优质专用材料、自控系统和测试仪器、数控机床和基础制造装备的发展明显滞后，已成为影响机械产品向高端升级的三大瓶颈。尤其是基础零部件，不但产品水平差距大，而且至今尚未引起各方面足够重视。3、 现代制造服务业发展缓慢机械工业的产业结构调整虽已有一定进展，但总体看来产业结构不合理现象仍然较为严重。如在产品结构上，表现为高端产品不足，中低端产品产能严重过剩；在区域结构上，表现为过度集于东部地区，中西部地区。最近几年发展速度虽然有所加快，但在整个机械工业中的比重依然严重偏低；在人力资本结构上，表现为一般人力资源丰裕，而杰出的企业家、领军型技术人才和高技能人才严重不足。在组织结构上，表现为散乱弱的状态仍很严重。与上述种种结构相比，机械工业的产业形态结构问题必须引起更大关注。现今我国机械工业中，传统加工制造业比重过大，现代制造服务业比重过低；对实物产品生产的依赖过大，而服务增值在行业总产出中的贡献度过低；从实物产量看，与工业发达国家相比，我国许多机械产品的产量已高居世界前列，但从全行业的销售额看，尤其是从经济效益看，这一优势并不明显，其中原因，除了产品档次差距的影响外，服务性增值方面的巨大差距是主要原因。4、产业发展方式较为粗放我国机械工业持续快速发展的良好态势并不能掩盖发展方式粗放的问题。重速度、轻质量；重规模、轻效益；重当前、轻长远的倾向虽已引起越来越多的关注，但尚未得到根本改变。行业的快速发展仍以过多的资源消耗为代价，生产效率和经营效益与工业发达国家同行相比差距明显。行业投资强度大增，但外延扩张之风盛行、重复建设严重，产业集中度低、地区结构趋同，核心竞争力弱，生产效率和经济效益差，在国际分工中处于明显不利地位。上述状况表明，我国机械工业需改变观念，今后要把改变行业增长质量放在优先位置，将粗放式增长的方式转变到集约型增长的科学发展轨道上来。三、机械行业前沿科学技术2013年，工程机械行业在市场质疑声中举步维艰，历经3年回暖乏力。放缓的市场却为工程机械企业提供了喘息的时间，促使企业能够暂时抛开市场攻坚战，静下心来深耕技术研发。这一年里，全球工程机械巨头们纷纷推出了许多令人耳目一新、让用户为之震撼的创新技术和创新产品。下面盘点一下这些前沿技术。起重机械类：PSS推出HookCam起重机吊钩视频系统PSS公司推出了HookCam第五代产品，一个直接装在起重机吊钩组件上的，通过无线传输，为驾驶室操作手提供稳定图像的视频摄像系统。起重机吊钩视频系统，该系统为操作手从吊钩的角度提供了直接现场的视野，消除视觉盲点，使得起重机操作员和相应的现场操作工的工作能够更安全、更有效率。同时该系统可以让驾驶室操作手实时的观察到负载的速度与摆动的幅度，给操作手关于当前环境和潜在安全事故更多的提示与感知。挖掘机械类：刺刀式断路器一一美国挖掘机最新的技术装置特点是使破碎锤可以像军队刺刀一样折叠安装在小臂上形成一体式，随机携带，安装方便，并且可是适用大多数型号挖掘机和橡胶轮胎“两头忙”的设计。很适用有挖掘和破碎双层需求的机械用户使用，免除了频繁更换附件的烦锁工作，和更换附件对液压系统的污染。路面机械类：维特根：滑模摊铺机侧偏3D控制系统维特根推出的最新技术自动导航FieldRover第一次实现了全自动、无划线的混凝土摊铺机。这项技术将使道路建设公司能够更加方便、快速，尤其是更加经济地完成筑路施工。目前，在铺设单一形状的道路元件时，如混凝土安全路障或路沿石，通常采用数字地形模式和划线方法，沿地面布置。在摊铺机作业时，用这些方法作为机器的导向。这是一种非常费时的方法。采用维特根自动导航摊铺道路时速度要快得多。3D控制系统由摊铺机内的计算机和直观的控制面板组成。摊铺机上安装的两台GPS信号接收机与工地上的GPS参考站进行通讯。由于测量和编程直接在现场进行，不需要数字地形模式导向。目前市场上使用的传统非划线3D系统只能由经过测量学培训的操作人员使用。而自动导航FieldRover使用简单，无需进行特殊的培训。混凝土机械类：中联重科成功首创变姿态臂架回转主动减振技术中联重科创造性地提出并实现变姿态臂架回转主动减振技术，能实时准确地辨识变姿态臂架的回转振动特性，通过作动机构对臂架施加主动阻尼控制力，实现臂架和末端软管的横向振动幅度、衰减时间均降低60%以上，臂架关键部位交变应力衰减30%以上，大大提高了臂架操作的稳定性、布料高效性以及施工安全性。目前，该技术已在49米、52米等长臂架泵车上完成了大量工业性考核，获得体验客户的高度赞誉。中联重科完全拥有变姿态臂架回转主动减振技术的自主知识产权，目前，已获授权国家发明专利2项，另外多项国际专利和国家发明专利正处在公开阶段。掘进机械类：海瑞克（施瓦瑙）新型半开挖式管道铺设技术海瑞克股份公司利用PipeExpress技术开发出一种新型的半开挖式管道铺设系统。与开放式的施工方法相比较，其开槽尺寸大大减小，不需要抽排地下水，对自然环境的影响小，在节约电网运营商的施工成本方面有着非常积极的影响。PipeExpress是一种新型的机械化浅层管道铺设技术，利用半开挖式的施工方法，可铺设长达1000m、直径为800-1500mm的管道。施工时，隧道掘进机挖掘出土壤，然后直接用随机配备的链式挖斗将泥土运送到地面，同时将管道铺设在地下。破碎机械类：南方路机：机制砂技术实现革命性创新