一款履帶式液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)

胡奇

摘? 要：履帶式液壓挖掘機(jī)是用鏟斗挖掘高于或低于承機(jī)面的物料，并裝入運(yùn)輸車輛或卸至堆料場的土方機(jī)械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及經(jīng)過預(yù)松后的土壤和巖石。從工程機(jī)械的發(fā)展歷程來看，挖掘機(jī)的發(fā)展相對較快，而挖掘機(jī)作為工程建設(shè)中最主要的工程機(jī)械之一，其選型尤為重要。該文主要從液壓挖掘機(jī)的工作原理分析出發(fā)，結(jié)合某實(shí)際挖掘機(jī)開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)布局和重要模塊的設(shè)計(jì)分析，最后從性能角度評價液壓挖掘機(jī)的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：履帶式液壓挖掘機(jī);設(shè)計(jì)開發(fā);結(jié)構(gòu)布局;動力系統(tǒng)

中圖分類號：TU621? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著各類大型工程的立項(xiàng)與開展，市場上的各類液壓挖掘機(jī)數(shù)量也越來越多，在各種基建施工過程中被廣泛應(yīng)用。隨著市場使用需求的不斷增大，挖掘機(jī)的種類也在不斷增加。實(shí)際研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員會根據(jù)當(dāng)前與今后的市場使用需求，來明確液壓挖掘機(jī)的性能參數(shù)與市場定位。實(shí)際使用時，由于施工環(huán)境和需求的差異，履帶式液壓挖掘機(jī)存在著行動不便等問題，這也是設(shè)計(jì)優(yōu)化中重點(diǎn)關(guān)注的問題。

1 液壓挖掘機(jī)工作原理

液壓挖掘機(jī)的構(gòu)成通常包括3個部分，分別是工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置以及行走裝置。1）工作裝置是指可以徑直完成挖掘工作的設(shè)備，一般包括動臂、斗桿以及鏟斗。出于控制的目的，通常會選擇往復(fù)式雙作用液壓缸來協(xié)助工作，從而可以實(shí)現(xiàn)動臂的起落、斗桿的伸縮以及鏟斗的轉(zhuǎn)動。由于必須滿足不同施工作業(yè)的需求，通常也會給液壓挖掘機(jī)加裝許多額外的工作裝置，例如挖掘、起重、裝載、平整、夾鉗、推土和沖擊錘之類的作業(yè)器具。2）回轉(zhuǎn)以及行走裝置是指液壓挖掘機(jī)的機(jī)體，通常會在轉(zhuǎn)臺上部安裝相應(yīng)的動力裝置以及傳動系統(tǒng)。對于液壓挖掘機(jī)來說，它的動力源是發(fā)動機(jī)，多數(shù)情況下會選擇柴油機(jī)，某些特殊情況也可換成電動機(jī)。液壓傳動系統(tǒng)的工作原理是借助液壓泵，把發(fā)動機(jī)的動力傳送到液壓馬達(dá)以及液壓缸之類的執(zhí)行元件中，由此可以對工作裝置起到推動作用，輔助完成所有作業(yè) [1] 。

2 項(xiàng)目概況

某公司立項(xiàng)研發(fā)24 t礦山型液壓挖掘機(jī)，旨在提高中小型礦山石方工況市場的產(chǎn)品市場占有率，整個研發(fā)過程歷時2.5年。從最初的市場調(diào)研、產(chǎn)品定位，到標(biāo)桿機(jī)研究、技術(shù)路線、方案評審和試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行了全方位的、細(xì)致入微的分析與探討。在試驗(yàn)驗(yàn)證方面，引入了完整的試驗(yàn)驗(yàn)證體系，生產(chǎn)4臺研發(fā)樣機(jī)，對機(jī)器進(jìn)行全方位的耐久驗(yàn)證，包括多輪的振動跑道、8字行走、石方挖掘等整機(jī)耐久試驗(yàn)。部件采用了嚴(yán)格的試驗(yàn)條件以確保質(zhì)量可靠，包括泵閥發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗(yàn)、工作裝置兩軸疲勞試驗(yàn)、燃油箱、液壓油箱、消聲器、散熱器和駕駛室等關(guān)鍵部振動試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)件可靠性方面，通過對關(guān)鍵部位選擇高強(qiáng)度鋼材、優(yōu)化焊接工藝和熱處理工藝，提高疲勞壽命。

3 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)布局

履帶式液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)件主要分為上部轉(zhuǎn)臺和行走機(jī)構(gòu)。上部轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)構(gòu)件通常包括發(fā)動機(jī)、減震器主泵、主閥、駕駛室以及回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，同時也包括回轉(zhuǎn)街頭、轉(zhuǎn)臺、液壓油箱、燃油箱、控制油路與電器部件以及配重等。履帶式液壓挖掘機(jī)的行走機(jī)構(gòu)由履帶架、履帶、引導(dǎo)輪、支重輪、托輪、終傳動以及張緊裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

4 重點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 結(jié)構(gòu)件

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件不僅是構(gòu)成履帶式挖掘機(jī)的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中的內(nèi)容之一。因此，想要進(jìn)行性能上的優(yōu)化，就必須結(jié)合實(shí)際問題對構(gòu)件作用和問題原因進(jìn)行分析，然后再進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。為了增加結(jié)構(gòu)可靠性，設(shè)計(jì)時采取了以下5項(xiàng)措施。1）平臺的動臂安裝部位（故障多發(fā)部位）參考CAT324D結(jié)構(gòu)，將內(nèi)側(cè)加強(qiáng)板延伸到面板下側(cè)，降低承載應(yīng)力。2）更改面板的傾斜角度，避免多條焊縫集中到一點(diǎn)。3）主梁外側(cè)增加加強(qiáng)板，其作用在于改善應(yīng)力集中，提高疲勞壽命（量產(chǎn)機(jī)型已證明有效的對策措施），經(jīng)過動臂銷孔的接觸應(yīng)力計(jì)算，顯著降低了該處面壓。4）平臺的動臂油缸安裝部位（故障多發(fā)部位），將對動臂油缸耳板開坡口，增大焊縫有效高度，提高承載能力。5）參考卡特將耳板尾部延長，降低應(yīng)力。

4.2 動力系統(tǒng)

履帶式液壓挖掘機(jī)的燃油系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)對整個挖掘機(jī)的工作效率有直接影響 [2]。在該次研究設(shè)計(jì)過程中，對于發(fā)動機(jī)采用并聯(lián)一級過濾，提高燃油系統(tǒng)精度，提升發(fā)動機(jī)噴油系統(tǒng)可靠性。設(shè)計(jì)完畢后，發(fā)動機(jī)與泵閥等關(guān)鍵部件進(jìn)行2 000 h的臺架試驗(yàn)，從而為后期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供安全和質(zhì)量保障。在挖掘機(jī)覆蓋件設(shè)計(jì)過程，覆蓋件頂蓋板增加框架結(jié)構(gòu)，沖壓凸點(diǎn)防滑，底蓋板局部加厚、采用沖壓結(jié)構(gòu)，不拆卸部位將底蓋板焊接。為了提升挖掘機(jī)的工作效率，在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)時調(diào)整外特性曲線，增大低速扭矩和額定功率，優(yōu)化油耗曲線，進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)油耗，通過降低能耗的方式來提升挖掘機(jī)的工作效率。通過改變液壓油箱底座設(shè)計(jì)形式，加大橫向螺栓孔距離，由214 mm增大至300 mm，可有效降低最大應(yīng)力值，提高油箱底角的抗疲勞強(qiáng)度。

燃油系統(tǒng)是為挖掘機(jī)提供動力的核心。燃油和補(bǔ)充燃油的過程中要避免燃油中混入雜質(zhì)。水、灰、雜草是修理過程中的常見雜物，它們會對燃油泵的使用壽命造成較大負(fù)面影響。除此之外，燃油的質(zhì)量對工作效率有直接影響，因此優(yōu)化燃油系統(tǒng)也是設(shè)計(jì)的一大要點(diǎn)。

4.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)耗能主要是油耗，因此高效節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)首先要面對的問題就是液壓系統(tǒng)的減耗。液壓挖掘機(jī)在使用過程中一直存在著因?yàn)橛蜏剡^高而降低工作效率的問題。液壓系統(tǒng)主要包括4種。1）定量系統(tǒng)是指主泵輸出固定流量的液壓系統(tǒng)。對于定量系統(tǒng)來說，如果沒有發(fā)生溢流的問題，那么所有執(zhí)行元件都是根據(jù)油泵供給的固定流量來進(jìn)行工作的，而油泵的功率不僅會受到這一固定流量的影響，也會受最大工作壓力的影響。2）變量系統(tǒng)是指主泵的流量會隨著調(diào)節(jié)系統(tǒng)的變動而發(fā)生波動的液壓系統(tǒng)。變量系統(tǒng)使用最普遍的是雙泵雙回路恒功率變量系統(tǒng)，按照功率的差異通常會分成分功率變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和全功率變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。分功率變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)，就是對于系統(tǒng)的每個回路都會各自設(shè)置恒功率變量泵和恒功率調(diào)節(jié)器。在這種情況下，各油泵從發(fā)動機(jī)那里獲得的功率相同;至于全功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最大的區(qū)別就是它僅靠一個恒功率調(diào)節(jié)器就可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)每一油泵的流量變化的同時操縱，由此實(shí)現(xiàn)同步變量。3）開式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)執(zhí)行元件的回油一般都是徑直流回油箱的，它具備的明顯優(yōu)勢就是系統(tǒng)簡單以及散熱效果顯著。但缺點(diǎn)也很明顯，那就是油箱容量大，低壓油路很容易直接接觸到空氣，而且管路中也容易出現(xiàn)空氣，從而導(dǎo)致振動問題。單斗液壓挖掘機(jī)在進(jìn)行作業(yè)的時候幾乎都是油缸工作，但是大、小有腔油缸之間的區(qū)別較為明顯，而且工作頻繁、發(fā)熱頻繁，從而導(dǎo)致開式系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用到單斗液壓挖掘機(jī)中。4）閉式回路。閉式回路的執(zhí)行元件的回油路并非徑直通往油箱，因此具備結(jié)構(gòu)緊湊，油箱容積小的優(yōu)勢，進(jìn)回油路里面存在部分的壓力可以隔絕空氣與管路，確保運(yùn)轉(zhuǎn)不受到影響的同時還能盡量減弱換向時產(chǎn)生的沖擊。不過由于其系統(tǒng)相對復(fù)雜，在使用的時候容易出現(xiàn)散熱條件差的問題，因此在單斗液壓挖掘機(jī)中有部分系統(tǒng)會選擇閉式回路的液壓系統(tǒng)，例如回轉(zhuǎn)裝置，這對彌補(bǔ)由于液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的油液漏損問題有積極作用 [3] 。

該次設(shè)計(jì)中，液壓系統(tǒng)與現(xiàn)SY265型挖掘機(jī)一致，泵、閥、回轉(zhuǎn)馬達(dá)等關(guān)鍵部件由川崎提供，經(jīng)過市場檢驗(yàn)的高質(zhì)量液壓元器件很大程度上保證了液壓系統(tǒng)的可靠，并在此基礎(chǔ)上對主閥性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化主閥回轉(zhuǎn)閥芯，提高動臂對回轉(zhuǎn)復(fù)合動作協(xié)調(diào)性;優(yōu)化鏟斗閥芯，防止吸空，提高鏟斗卸載速度。參照CAT標(biāo)桿對主泵吸油管路及裝配工藝重新設(shè)計(jì)，降低吸油管路漏油故障。改變回油旁通管路連接形式，采用扣壓膠管連接，減少漏油點(diǎn)，降低回油系統(tǒng)漏油故障;改變液壓油箱底座設(shè)計(jì)形式，參照CAT324D底座結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)，加大橫向螺栓孔距離，由214 mm增大至300 mm，可有效降低最大應(yīng)力值，從而提高油箱底角的抗疲勞強(qiáng)度。

4.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)旨在確保挖機(jī)具有良好的操控性、較高的挖掘力和效率，同時提高電氣元件可靠性。優(yōu)化過程中采用自主控制器，以最優(yōu)的程序控制液壓、動力系統(tǒng)的功率匹配使用，提高整機(jī)作業(yè)效率和油耗水平。程序控制方面，對卡特核心的功率控制進(jìn)行測試并解析，同時移植了卡特的高壓段增加功率補(bǔ)償?shù)乃惴ā？刂破鞯乃卸丝趯?shí)現(xiàn)自診斷，采用了智能顯示屏，實(shí)現(xiàn)“汽車指針式”顯示、操作保養(yǎng)提醒和故障代碼記錄功能。

5 性能分析

該款液壓式履帶挖掘機(jī)的開發(fā)目標(biāo)比現(xiàn)在市場流通的同級別機(jī)器性能更好。在設(shè)計(jì)方面，通過前后泵的壓力差精確區(qū)分高低負(fù)荷區(qū)域，通過針對性的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整進(jìn)一步提高節(jié)能效果。采用自動過濾結(jié)構(gòu)，提高過濾結(jié)構(gòu)對燃油的過濾精度。通過新型能量回收方式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能量的合理回收和利用，有效減少發(fā)動機(jī)的燃油消耗率和降低液壓系統(tǒng)的發(fā)熱。優(yōu)化“正流量”系統(tǒng)和“DMCOS”動態(tài)尋優(yōu)智能匹配控制系統(tǒng)，效率提高8%，油耗降低10%。優(yōu)化性能的同時實(shí)現(xiàn)機(jī)器遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，對解決因設(shè)備故障造成的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)滯后的問題有積極性作用，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的實(shí)時連續(xù)。通過各種設(shè)計(jì)優(yōu)化，整機(jī)的可靠性大幅提升，通過了2 000 h發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗(yàn)和1萬次啟停機(jī)試驗(yàn)。

6 結(jié)語

綜上所述，在履帶式液壓挖掘機(jī)等使用頻率較高的工程機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，首先要對現(xiàn)階段已有挖掘機(jī)存在的問題進(jìn)行收集分析，然后對各相關(guān)的具體構(gòu)件進(jìn)行分析。經(jīng)過具體的分析和數(shù)據(jù)整理，綜合考慮各項(xiàng)因素展開優(yōu)化，在投入生產(chǎn)使用前，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和市場標(biāo)準(zhǔn)對可行性進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，為投入使用的各項(xiàng)成果提供基礎(chǔ)的安全保障。該文所述挖掘機(jī)產(chǎn)品的最終市場占有率名列第一，其各項(xiàng)設(shè)計(jì)被推廣應(yīng)用到其他機(jī)型中，獲得了極高的評價。

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