機械工程學科前沿與發展動態綜述在國家自然科學基金等的支持下，機械工程研究領域近年來取得了一系列突出進展和原創性成果，為我國機械工程和經濟建設提供了大批新理論、新技術和新方法，在國內外產生了重要影響，有的領域已在國際學術界占有一席之地。雖然如此，我國機械工程科學在國際上總體還處于落后地位。未來制造業發展總趨勢是全球化、信息化、綠色化、知識化和極端化。制造技術的發展總趨勢是基于資源節約和環境保護基礎上的數字網絡化、高效精確化、智能集成化及制造極端化。機械工程是以數學、力學等為代表的相關自然科學和以設計學、材料學、制造學為代表的技術科學為理論基礎，結合在生產實踐中積累的技術經驗，研究和解決在開發設計、制造、安裝、運用和維修各種機械中理論和實際問題的應用學科。機械工程研究是先進制造技術的不竭源泉。推動我國制造業自主發展的主要驅動力是先進制造技術，航天和國防先進裝備幾乎完全立足于自主創新技術。在航空、車輛、家電、微電子、輕工業、石化、工程機械等制造業，自主創新的技術和自主品牌也越來越多。在國家自然科學基金等的資助下，機械工程研究近年來取得了一系列突出進展和原創性成果，為我國機械工程和經濟建設提供了大批新理論、新技和新方法，在國內外產生了重要影響，有的領域已在國際學術界占有一席之地。一、國內外發展趨勢及展望（一）國內機械工程的展望與發展趨勢：1、 機械工程的未來展望日前，由中國機械工程學會組織編寫、中國科學技術出版社出版的《中國機械工程技術路線圖》在京隆重推出。該書在歷時一年多的編寫過程中，傾注了包括19名兩院院士在內的100多名專家的心血，橫跨中國機械工程技術11個領域。它的出版有望在未來的20年中，引導我國機械制造技術實現自主創新、重點跨越、全面發展。當今世界科技創新日新月異，信息化、知識化、現代化、全球化的發展勢不可當，新興發展中國家快速崛起，世界經濟和財力正處于大調整、大變革、大創新、大發展的時期，我國制造業也將迎來新的發展戰略機遇期和挑戰。對未來20年機械工程技術發展進行了預測和展望，明確、清晰地提出了面向2030年機械工程技術發展的五大趨勢和八大技術。五大趨勢包括綠色、智能、超常、融合、服務。八大技術包括復雜機電系統的創意、建模、仿真與優化設計技術，零件精確成形技術，大型結構件成形技術，高速精密加工技術，微納器件與系統，智能制造設備，智能化集成化傳動技術，數字化工程等八大技術。這些技術對未來裝備制造業發展具有重大影響，既立足于中國裝備技術發展的實際，又把握了國際裝備技術的發展趨勢。它們的突破將提升我國重大裝備發展的基礎、關鍵核心技術創新和重大的集成創新能力，提升我國制造業的國際競爭力以及在國際分工中的地位，將深刻影響我國制造業未來的發展方向。2、 機械工程的趨勢研究世界經濟的增長離不開機械制造業的持續發展，而機械制造業也是始終伴隨著世界經濟的不斷增長而不斷的發展變化著。預估，全球機械制造業在2010年-2015年間的平均增長率將在7.8%左右。未來，世界機械制造業的發展將會有三大趨勢，分別為整個機械制造業的重心將遷向亞洲；全球市場的競爭將聚集中端市場；節能環保將越來越受到用戶和制造商的重視。未來，我國將是主導全球機械制造業的主要力量。“十二五”期間，我國國內生產制造業仍將保持遠高于發達國家普遍3%不到的增長速度，無疑會拉動今后幾年中國機械制造業的高速增長；再次，我國的機械制造業以其巨大的規模優勢逐漸獲得全球機械制造業的領導權。最后是中歐兩地在兩種不同的心態下其機械制造業技術的差距預期將在未來幾年不斷縮小。節能環保是工程機械行業發展的大趨勢，機械制造業自然也無法置身事外，但正如清潔能源的利用一樣，但總體上來說，隨著世界各國尤其是新興市場國家對節能環保的關注度的提高，機械制造業轉向更加環境友好更加低能耗排放的趨勢是不可扭轉的。據發布的《2011-2016年中國農、林、牧、漁專用機械制造市場分析深度研究報告》顯示：未來，我國機械工業有三大發展趨勢分別是聚集中端、大型化、智能化。先進制造技術是面向全球競爭的目前每一國家都處于全球化市場中。一個國家的先進制造技術是支持該國制造業在全球范圍市場的競爭力。因此，先進制造技術的主體應具有世界水平。我國正在以前所未有的速度進入全球化的國際市場,開發和應用適合國情的先進制造技術勢在必行。進入21世紀，科學技術以更加迅速的速度發展，以因特網為代表的信息技術得到廣泛應用，人類社會正開始走向知識經濟的新時代。以分子原子等為對象的納米制造和以及因技術為核心的生物制造將閃亮登場，機械工程及機械制造業將進入一個嶄新的發展階段。（二）國外機械行業新技術及發展趨勢：近年來，國外工程機械產品以電子、信息技術為先導，在計算機故障診斷與監控、精確定位與作業、發動機燃料燃燒控制和人機工程學等方面，進行大量的研究。開發出與各種工程機械相匹配的軟、硬件系統，使工程機械向信息化、智能化方向大步前進，提高了工程機械的高科技含量，促進了工程機械的發展。1、 推土機作業控制與指導系統Leica公司采用基于GPS技術與數字地圖技術的Dozer2000導航系統，在駕駛室內裝有觸摸計算機，可實時顯示機器在作業區內的位置、作業區域實際值與設計值的差距及相關信息，即使是毫無經驗的駕駛員，也能有效地完成諸如坡度作業等作業要求。Trimble公司的產品是SiteVisionGPS，可實現坡度的精確控制，駕駛室內可視化顯示系統指導駕駛員精確作業，精度可達厘米級。2、 計算機機故障診斷系統機載計算機可根據各種傳感器的檢測信號，結合專家知識庫對機器的運行狀態進行評估，預測可能出現的故障；在出現故障時發出故障信息或指導駕駛員查找和排除故障。3、 稱量系統自動稱量并顯示鏟斗的凈裝載量，測量誤差小于3%4、 柴油發動機控制管理系統該系統是一個基于單片機的燃油噴射控制與發動機最佳性能調節系統，可提高燃料的利用率，確保發動機排出的廢氣符合環境控制法規要求；該系統還可通過CAN總線與其他設備進行通信，使整臺機器構成一個完整的管理系統。CAT3516B型發動機裝備有此系統。5、 換擋控制系統根據機器的行駛速度與負載狀態自動換擋，并使發動機轉速與運行工況相匹配，達到節能目的。6、 人機工程學的普遍應用國外工程機械特別注重駕駛員與操作界面的協調，講求操作的舒適性。觸摸屏、文本圖形顯示器、無線遙控器和多功能操作手柄應用普遍，操作面板布局合理。7、 控制系統可靠性進一步加強性能可靠的移動設備專用控制器與顯示器得到普遍采用，如EPC公司生產的系列控制器產品，該產品防護等級高、工作溫度范圍寬、具有多個PWM輸出端及大電流輸出端、CAN總線與RS232通訊接口，是一款專門針對工程車輛等移動設備而開發的控制器。集液壓、微電子及信息技術于一體的智能系統將成為主流開發方向，并廣泛應用于工程機械的產品設計中，計算機輸助駕駛系統、信息管理系統及故障診斷系統將依托微電子技術與信息技術的廣泛應用而不斷完善；電子監控和自動報警系統、自動換擋變速裝置將被廣泛采用；用于物料精確挖（鏟）、裝、載、運作業的工程機械將安裝GPS定位與載量自動稱量裝置。以施工工藝研究為基礎，以計算機技術、微電子技術、信息技術、無線通訊技術和自動控制技術的綜合應用為手段，各種施工機群（如用于高速公路施工的瀝青攪拌站、瀝青運輸車、瀝青轉運車和瀝青攤鋪機即組成一個施工機群）的智能化研究將相繼展開。可以預見，在不久的將來工程施工管理與過程控制都將實現智能化，施工質量也將得到全過程的控制，保證在設計要求的范圍內。二、機械行業發展過程中出現的典型難題1、 自主創新能力明顯薄弱我國機械工業的產業規模雖已位居世界首位，但目前高端裝備仍滿足不了需要，不得不大量進口。2010年進口機械產品用匯高達2553億美元。行業中低端產能過剩、高端嚴重不足的矛盾非常突出。之所以如此，原因就在于自主創新能力薄弱，無法有效地支撐產品升級。多年來，相當多的企業過分看重當期發展速度，追求短平快，重當前、輕長遠；重制造、輕研發；重引進、輕消化；重硬件、輕軟件；重物質、輕人才。從而導致研發投入嚴重不足，研發條件普遍落后，研發經驗缺乏積累。尤其是廣大中小企業缺乏公共技術服務平臺的支撐，技術創新更是心有余而力不足。自主創新能力薄弱不僅導致低端產能過剩、高端不足；而且影響行業的發展后勁，影響我國際競爭力的提升；更為嚴重的是累及行業發展方式的轉變和科學發展觀的貫徹，因此是行業發展中的心腹之患，必須高度重視并盡快解決。2、 基礎發展嚴重滯后與快速發展的主機產品相比，基礎零部件及優質專用材料、自控系統和測試儀器、數控機床和基礎制造裝備的發展明顯滯后，已成為影響機械產品向高端升級的三大瓶頸。尤其是基礎零部件，不但產品水平差距大，而且至今尚未引起各方面足夠重視。3、 現代制造服務業發展緩慢機械工業的產業結構調整雖已有一定進展，但總體看來產業結構不合理現象仍然較為嚴重。如在產品結構上，表現為高端產品不足，中低端產品產能嚴重過剩；在區域結構上，表現為過度集于東部地區，中西部地區。最近幾年發展速度雖然有所加快，但在整個機械工業中的比重依然嚴重偏低；在人力資本結構上，表現為一般人力資源豐裕，而杰出的企業家、領軍型技術人才和高技能人才嚴重不足。在組織結構上，表現為散亂弱的狀態仍很嚴重。與上述種種結構相比，機械工業的產業形態結構問題必須引起更大關注。現今我國機械工業中，傳統加工制造業比重過大，現代制造服務業比重過低；對實物產品生產的依賴過大，而服務增值在行業總產出中的貢獻度過低；從實物產量看，與工業發達國家相比，我國許多機械產品的產量已高居世界前列，但從全行業的銷售額看，尤其是從經濟效益看，這一優勢并不明顯，其中原因，除了產品檔次差距的影響外，服務性增值方面的巨大差距是主要原因。4、產業發展方式較為粗放我國機械工業持續快速發展的良好態勢并不能掩蓋發展方式粗放的問題。重速度、輕質量；重規模、輕效益；重當前、輕長遠的傾向雖已引起越來越多的關注，但尚未得到根本改變。行業的快速發展仍以過多的資源消耗為代價，生產效率和經營效益與工業發達國家同行相比差距明顯。行業投資強度大增，但外延擴張之風盛行、重復建設嚴重，產業集中度低、地區結構趨同，核心競爭力弱，生產效率和經濟效益差，在國際分工中處于明顯不利地位。上述狀況表明，我國機械工業需改變觀念，今后要把改變行業增長質量放在優先位置，將粗放式增長的方式轉變到集約型增長的科學發展軌道上來。三、機械行業前沿科學技術2013年，工程機械行業在市場質疑聲中舉步維艱，歷經3年回暖乏力。放緩的市場卻為工程機械企業提供了喘息的時間，促使企業能夠暫時拋開市場攻堅戰，靜下心來深耕技術研發。這一年里，全球工程機械巨頭們紛紛推出了許多令人耳目一新、讓用戶為之震撼的創新技術和創新產品。下面盤點一下這些前沿技術。起重機械類：PSS推出HookCam起重機吊鉤視頻系統PSS公司推出了HookCam第五代產品，一個直接裝在起重機吊鉤組件上的，通過無線傳輸，為駕駛室操作手提供穩定圖像的視頻攝像系統。起重機吊鉤視頻系統，該系統為操作手從吊鉤的角度提供了直接現場的視野，消除視覺盲點，使得起重機操作員和相應的現場操作工的工作能夠更安全、更有效率。同時該系統可以讓駕駛室操作手實時的觀察到負載的速度與擺動的幅度，給操作手關于當前環境和潛在安全事故更多的提示與感知。挖掘機械類：刺刀式斷路器一一美國挖掘機最新的技術裝置特點是使破碎錘可以像軍隊刺刀一樣折疊安裝在小臂上形成一體式，隨機攜帶，安裝方便，并且可是適用大多數型號挖掘機和橡膠輪胎“兩頭忙”的設計。很適用有挖掘和破碎雙層需求的機械用戶使用，免除了頻繁更換附件的煩鎖工作，和更換附件對液壓系統的污染。路面機械類：維特根：滑模攤鋪機側偏3D控制系統維特根推出的最新技術自動導航FieldRover第一次實現了全自動、無劃線的混凝土攤鋪機。這項技術將使道路建設公司能夠更加方便、快速，尤其是更加經濟地完成筑路施工。目前，在鋪設單一形狀的道路元件時，如混凝土安全路障或路沿石，通常采用數字地形模式和劃線方法，沿地面布置。在攤鋪機作業時，用這些方法作為機器的導向。這是一種非常費時的方法。采用維特根自動導航攤鋪道路時速度要快得多。3D控制系統由攤鋪機內的計算機和直觀的控制面板組成。攤鋪機上安裝的兩臺GPS信號接收機與工地上的GPS參考站進行通訊。由于測量和編程直接在現場進行，不需要數字地形模式導向。目前市場上使用的傳統非劃線3D系統只能由經過測量學培訓的操作人員使用。而自動導航FieldRover使用簡單，無需進行特殊的培訓。混凝土機械類：中聯重科成功首創變姿態臂架回轉主動減振技術中聯重科創造性地提出并實現變姿態臂架回轉主動減振技術，能實時準確地辨識變姿態臂架的回轉振動特性，通過作動機構對臂架施加主動阻尼控制力，實現臂架和末端軟管的橫向振動幅度、衰減時間均降低60%以上，臂架關鍵部位交變應力衰減30%以上，大大提高了臂架操作的穩定性、布料高效性以及施工安全性。目前，該技術已在49米、52米等長臂架泵車上完成了大量工業性考核，獲得體驗客戶的高度贊譽。中聯重科完全擁有變姿態臂架回轉主動減振技術的自主知識產權，目前，已獲授權國家發明專利2項，另外多項國際專利和國家發明專利正處在公開階段。掘進機械類：海瑞克（施瓦瑙）新型半開挖式管道鋪設技術海瑞克股份公司利用PipeExpress技術開發出一種新型的半開挖式管道鋪設系統。與開放式的施工方法相比較，其開槽尺寸大大減小，不需要抽排地下水，對自然環境的影響小，在節約電網運營商的施工成本方面有著非常積極的影響。PipeExpress是一種新型的機械化淺層管道鋪設技術，利用半開挖式的施工方法，可鋪設長達1000m、直徑為800-1500mm的管道。施工時，隧道掘進機挖掘出土壤，然后直接用隨機配備的鏈式挖斗將泥土運送到地面，同時將管道鋪設在地下。破碎機械類：南方路機：機制砂技術實現革命性創新