小型液壓挖掘機(jī)平整作業(yè)性能的研究

韋家義

（廣西玉柴重工有限公司，廣西 玉林 537005）

平整作業(yè)是小型液壓挖掘機(jī)（以下簡稱“小挖”）的一種常用的作業(yè)形式，其主要工況有平整地面、修坡等，其中使用斗尖進(jìn)行平整作業(yè)居多。平整作業(yè)主要是通過斗桿與動臂這兩個部件的復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，因此，平整作業(yè)性能本質(zhì)是一種復(fù)合運(yùn)動時(shí)的操縱性能，平整作業(yè)操縱舒適性主要體現(xiàn)在斗桿與動臂的動作協(xié)調(diào)性，良好的動作協(xié)調(diào)性是靠匹配出來的，那么，平整作業(yè)性能的匹配即斗桿與動臂兩者之間的性能匹配就顯得很重要，值得深入研究。

1 平整作業(yè)姿態(tài)

研究挖掘機(jī)的各種作業(yè)性能，都需要從作業(yè)姿態(tài)入手，結(jié)合不同工況進(jìn)行，不同的姿態(tài)在不同的工況下體現(xiàn)不同的性能，平整作業(yè)也不例外。

在平整作業(yè)時(shí)，需操縱動臂先導(dǎo)控制手柄（右手柄）和斗桿先導(dǎo)控制手柄（左手柄）同時(shí)向后拉實(shí)現(xiàn)鏟斗的平整刮土動作，同時(shí)向前推實(shí)現(xiàn)鏟斗的平整推土動作。如圖1所示，是一種采用斗尖進(jìn)行平整作業(yè)的姿態(tài)變化圖，以停機(jī)面為平整作業(yè)面，姿態(tài)Ⅰ為平整作業(yè)初始位置，鏟斗處于垂直挖掘姿態(tài)，斗桿油缸全縮；姿態(tài)Ⅱ?yàn)槠秸鳂I(yè)目標(biāo)終了位置；平整作業(yè)從姿態(tài)Ⅰ開始到姿態(tài)Ⅱ過程中，鏟斗油缸始終不動作。

在評價(jià)平整作業(yè)性能水平時(shí)，考核指標(biāo)是：要求從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ，平整作業(yè)的平整距離（L）達(dá)到鏟斗與推土鏟距離（A）的30%以上，姿態(tài)Ⅱ的斗尖離地高度（B）不超過100mm，這樣才算是具有良好的作業(yè)性能，即L≥30%A，B≤100mm。

2 平整作業(yè)的油缸行程匹配

平整作業(yè)時(shí)斗桿與動臂的性能匹配，首先要了解和研究斗桿油缸和動臂油缸的行程變化與平整點(diǎn)（鏟斗斗尖）的軌跡。

如圖2所示，平整作業(yè)姿態(tài)Ⅰ時(shí)的油缸行程計(jì)算模型圖，建立以動臂與平臺的鉸點(diǎn)O為原點(diǎn)、向左為X軸、向上為Y軸的坐標(biāo)。

圖2 挖掘機(jī)平整作業(yè)姿態(tài)Ⅰ時(shí)的油缸行程計(jì)算模型圖

圖中LD0——動臂油缸長度，mm；

β——動臂內(nèi)側(cè)與水平夾角，°；

Φ——斗桿內(nèi)側(cè)與水平夾角，°；

ε——斗桿外側(cè)與水平夾角，°；

H——動臂絞點(diǎn)Y距離，mm；

LD1——動臂大腔絞點(diǎn)X距離，mm；

HD1——動臂大腔絞點(diǎn)Y距離，mm；

B——動絞到斗桿油缸大腔絞點(diǎn)距離，mm；

C——動臂絞點(diǎn)到斗桿絞點(diǎn)的距離，mm；

D——斗桿絞點(diǎn)到平土點(diǎn)距離，mm；

E——斗桿油缸小腔絞點(diǎn)到平土點(diǎn)距離，mm。

經(jīng)運(yùn)算，可得到一種平整作業(yè)時(shí)油缸行程匹配關(guān)系（圖3）、平整作業(yè)時(shí)斗尖運(yùn)動軌跡匹配關(guān)系（圖4）。由此可見，斗桿油缸行程與動臂油缸行程之間為非線性關(guān)系，斗尖運(yùn)動軌跡非直線運(yùn)動。

圖3 一種平整作業(yè)時(shí)挖掘機(jī)油缸行程匹配關(guān)系圖

圖4 一種平整作業(yè)時(shí)挖掘機(jī)斗尖運(yùn)動軌跡匹配關(guān)系圖

如圖5所示，從圖1和圖2得到平整作業(yè)時(shí)動臂油缸鉸點(diǎn)變化圖（同XOY坐標(biāo)系）。從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ，動臂油缸從位置2到位置3，油缸行程伸長量為ΔS動臂。

如圖6所示，從圖1和圖2得到平整作業(yè)時(shí)斗桿油缸鉸點(diǎn)變化圖（同XOY坐標(biāo)系）。從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ，斗桿油缸從位置C到位置D，油缸行程伸長量為ΔS斗桿。

由此可得，斗桿油缸與動臂油缸的行程變化關(guān)系：

由如圖3可知，k1非線性。

圖5 挖掘機(jī)平整作業(yè)時(shí)動臂油缸鉸點(diǎn)變化圖

圖6 挖掘機(jī)平整作業(yè)時(shí)斗桿油缸鉸點(diǎn)變化圖

斗桿油缸大腔與動臂油缸大腔的面積比：

一般，斗桿油缸小于動臂油缸，則k2＜1。

則有斗桿油缸大腔與動臂油缸大腔的容積比即為單位時(shí)間的流量比：

在油缸參數(shù)確定后，k2即為常量C。

由上述計(jì)算可知，平整作業(yè)時(shí)，斗桿油缸的行程大于動臂油缸行程，相同時(shí)間內(nèi)斗桿油缸大腔的流量需求大于動臂油缸大腔的流量需求，這正是平整作業(yè)性能匹配的根本出發(fā)點(diǎn)。

式(4)中，行程、缸徑、流量（排量）以及結(jié)構(gòu)件這些參數(shù)，都是與設(shè)計(jì)輸入值相關(guān)，一旦選定或定型，動臂、斗桿的油缸運(yùn)動速度就基本確定下來了。也就是說，平整作業(yè)特性是挖掘機(jī)的一個固有特性，需要在設(shè)計(jì)開始階段做好匹配，否則后續(xù)再怎么整改優(yōu)化，也將于事無補(bǔ)。

需注意的是，如果斗桿油缸桿頭鉸點(diǎn)對斗桿轉(zhuǎn)動鉸點(diǎn)的距離（圖4所示的LBC）過長，那么斗桿的轉(zhuǎn)角就越大，行程就會越長，流量需求也就會越大，可能導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)平整作業(yè)。

3 三泵系統(tǒng)匹配

3.1 壓力油源匹配

三泵系統(tǒng)具有良好的操縱性能，是小挖主流的液壓系統(tǒng)。但是，不同主機(jī)廠，對P1、P2、P3泵的匹配策略各不相同，因此平整作業(yè)性能也就有所不同。如圖7所示，是一種三泵系統(tǒng)的油源匹配策略圖。

圖7 一種三泵系統(tǒng)的油源匹配策略圖

這個三泵系統(tǒng)的油源匹配策略是：P1泵供壓力油給動臂油缸，P2和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸。

1）當(dāng)提動臂、收斗桿時(shí)，P1泵供壓力油給動臂油缸大腔，P2泵和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸大腔。

2）當(dāng)下動臂、放斗桿時(shí)，P1泵供壓力油給動臂油缸小腔，P2泵和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸小腔。

這個三泵系統(tǒng)的油源匹配策略的目的是：平整作業(yè)時(shí)，為了獲得更大的平整距離、更流暢的操縱感受、斗桿與動臂的動作更加協(xié)調(diào)，需提高斗桿的動作速度，降低動臂的動作速度，避免動臂過快而導(dǎo)致等待斗桿的現(xiàn)象。由于平整作業(yè)時(shí)動臂油缸的行程小而斗桿油缸的行程大，這就是意味著斗桿油缸需要更多的流量。

3.2 油缸流量匹配

斗桿大腔需求容積

動臂大腔需求容積

斗桿與動臂大腔需求容積比

斗桿與動臂大腔需求流量比

由于單位時(shí)間內(nèi)，斗桿與動臂大腔需求流量比=斗桿與動臂大腔需求容積比，在平整作業(yè)時(shí)，無論高速還是低速作業(yè)，司機(jī)都希望獲得一個穩(wěn)定操縱手感（流量配比），避免忽快忽慢而難以操控，則λ=ν=C（常量）成立。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，斗桿與動臂大腔需求的容積比的取值范圍是：2.2≤λ≤2.5。

需注意的是，如果λλ取值越大，則流量需求越大，主泵或系統(tǒng)需提供的流量就會越大，匹配的難度也會加大，甚至無法實(shí)現(xiàn)；反之，如λ取值偏小，則無法實(shí)現(xiàn)平整作業(yè)。

在設(shè)計(jì)策劃階段，要驗(yàn)算主泵的排量選擇和采用的三泵系統(tǒng)匹配策略是否能滿足流量配比的需求。根據(jù)上述的三泵系統(tǒng)的油源匹配策略，可得：

P1泵供給動臂大腔的流量

P2泵供給斗桿大腔的流量

P3泵供給動臂大腔的流量

P2與P3泵合流斗桿大腔的流量

泵供給斗桿與動臂流量比

若φ≈λ,在λ的取值范圍內(nèi)，則說明流量充足，滿足平整作業(yè)要求；若φ＜λ,即泵供給斗桿與動臂的流量比小于斗桿與動臂需求的容積比，則無法滿足平整作業(yè)要求，需采取措施提高流量。如果在滿足其它性能匹配的前提下，可以考慮在液壓多路閥的動臂閥芯處增加分流回油，減少動臂油缸的流量供給，從而實(shí)現(xiàn)泵供給斗桿與動臂的流量比達(dá)到或接近斗桿與動臂需求的容積比。

平整作業(yè)的負(fù)荷不大，為了降低油耗，一般要求發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)即可進(jìn)行平整作業(yè)。因此，發(fā)動機(jī)的低轉(zhuǎn)速區(qū)一般取ne=1400～1500rpm。式中

DA——斗桿油缸缸徑（mm）；

DB——動臂油缸缸徑（mm）；

nA——斗桿油缸數(shù)量(個)；

NB——動臂油缸數(shù)量(個)；

SA——平土作業(yè)時(shí)斗桿油缸行程（mm）；

SB——平土作業(yè)時(shí)動臂油缸行程（mm）；

VA——斗桿大腔需求容積（L）；

VB——動臂大腔需求容積（L）；

QA——斗桿大腔需求流量（L/min）；

QB——動臂大腔需求流量（L/min）；

ν——斗桿與動臂大腔需求容積比；

λ——斗桿與動臂大腔需求流量比；

q1——P1泵的排量（cc/rev）；

q2——P2泵的排量（cc/rev）；

q3——P3泵的排量（cc/rev）；

ne——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；

Q1——P1泵供給動臂大腔的流量（L/min）；

Q2——P2泵供給斗桿大腔的流量（L/min）；

Q3——P3泵供給斗桿大腔的（L/min）；

φ——泵供給斗桿與動臂流量比。

3.3 多路閥的斗桿回油再生功能

提高平整作業(yè)的性能還可以通過在液壓多路閥內(nèi)設(shè)置斗桿回油再生功能的方法來實(shí)現(xiàn)。斗桿回油再生功能提速部分的主要作用是彌補(bǔ)三泵系統(tǒng)受不完全發(fā)揮功率影響的速度。如斗桿沒設(shè)置有再生功能，為遷就斗桿，必須降低動臂速度，動臂油缸的流量就會被分流，這就導(dǎo)致整體速度被拉低。斗桿回油再生功能可以提高斗桿動作速度，從而提高平整作業(yè)效率。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于2.5t以上的小挖，有必要設(shè)置斗桿回油再生功能；而對于2.5t以下的小挖，由于P2泵與P3泵的合流已可滿足斗桿在平整作業(yè)中需求，可不設(shè)置斗桿再生功能。如圖8所示的斗桿再生原理圖；如圖9所示的斗桿再生功能圖；如圖10所示的斗桿閥片閥芯（再生作用）的剖面圖。當(dāng)斗桿內(nèi)收進(jìn)行平整作業(yè)時(shí)，通過斗桿油缸小腔的回油進(jìn)入斗桿油缸大腔來實(shí)現(xiàn)斗桿速度的提升。

圖8 斗桿再生原理圖

圖9 斗桿再生功能圖

圖10 斗桿閥片閥芯（再生作用）的剖面圖

4 結(jié) 語

小挖進(jìn)行平整作業(yè)的頻率較高，提高斗桿的運(yùn)動速度，使得斗桿與動臂更加協(xié)調(diào)，這樣不但可獲得良好的操縱感受，還可以提高平整作業(yè)效率。除本文所介紹的幾種行之有效的技術(shù)手段外，還有一些其它方式，如雙斗桿閥芯合流技術(shù)等，可根據(jù)產(chǎn)品自身需求來選擇與匹配。

[1]陳國俊.液壓挖掘機(jī)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[2]郝前華.挖掘機(jī)平整作業(yè)特性分析及性能優(yōu)化研究[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[3]韋家義.小型液壓挖掘機(jī)三泵系統(tǒng)的匹配[J].建筑機(jī)械化，2018，(5)：17-20.