一款履帶式液壓挖掘機的設(shè)計開發(fā)

1、    一款履帶式液壓挖掘機的設(shè)計開發(fā)    胡奇摘  要：履帶式液壓挖掘機是用鏟斗挖掘高于或低于承機面的物料，并裝入運輸車輛或卸至堆料場的土方機械。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。從工程機械的發(fā)展歷程來看，挖掘機的發(fā)展相對較快，而挖掘機作為工程建設(shè)中最主要的工程機械之一，其選型尤為重要。該文主要從液壓挖掘機的工作原理分析出發(fā)，結(jié)合某實際挖掘機開發(fā)項目進(jìn)行挖掘機結(jié)構(gòu)布局和重要模塊的設(shè)計分析，最后從性能角度評價液壓挖掘機的表現(xiàn)。關(guān)鍵詞：履帶式液壓挖掘機;設(shè)計開發(fā);結(jié)構(gòu)布局;動力系統(tǒng)：tu621   

2、 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a0 引言隨著各類大型工程的立項與開展，市場上的各類液壓挖掘機數(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，挖掘機的種類也在不斷增加。實際研發(fā)設(shè)計過程中，設(shè)計人員會根據(jù)當(dāng)前與今后的市場使用需求，來明確液壓挖掘機的性能參數(shù)與市場定位。實際使用時，由于施工環(huán)境和需求的差異，履帶式液壓挖掘機存在著行動不便等問題，這也是設(shè)計優(yōu)化中重點關(guān)注的問題。1 液壓挖掘機工作原理液壓挖掘機的構(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

3、壓缸來協(xié)助工作，從而可以實現(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的機體，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)。對于液壓挖掘機來說，它的動力源是發(fā)動機，多數(shù)情況下會選擇柴油機，某些特殊情況也可換成電動機。液壓傳動系統(tǒng)的工作原理是借助液壓泵，把發(fā)動機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 項目概況某公司立項研發(fā)24 t礦山型液壓挖掘機，旨在提高中小型

4、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)桿機研究、技術(shù)路線、方案評審和試驗驗證，進(jìn)行了全方位的、細(xì)致入微的分析與探討。在試驗驗證方面，引入了完整的試驗驗證體系，生產(chǎn)4臺研發(fā)樣機，對機器進(jìn)行全方位的耐久驗證，包括多輪的振動跑道、8字行走、石方挖掘等整機耐久試驗。部件采用了嚴(yán)格的試驗條件以確保質(zhì)量可靠，包括泵閥發(fā)動機臺架耐久試驗、工作裝置兩軸疲勞試驗、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。結(jié)構(gòu)件可靠性方面，通過對關(guān)鍵部位選擇高強度鋼材、優(yōu)化焊接工藝和熱處理工藝，提高疲勞壽命。3 挖掘機結(jié)構(gòu)布局履帶式液壓挖掘機的結(jié)構(gòu)件主要分為上

5、部轉(zhuǎn)臺和行走機構(gòu)。上部轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)構(gòu)件通常包括發(fā)動機、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。履帶式液壓挖掘機的行走機構(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 重點模塊設(shè)計實現(xiàn)4.1 結(jié)構(gòu)件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件不僅是構(gòu)成履帶式挖掘機的基礎(chǔ)，也是設(shè)計優(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)計時采取了以下5項措施。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)加強板延伸到面

6、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。3）主梁外側(cè)增加加強板，其作用在于改善應(yīng)力集中，提高疲勞壽命（量產(chǎn)機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)履帶式液壓挖掘機的燃油系統(tǒng)和發(fā)動機對整個挖掘機的工作效率有直接影響 2。在該次研究設(shè)計過程中，對于發(fā)動機采用并聯(lián)一級過濾，提高燃油系統(tǒng)精度，提升發(fā)動機噴油系統(tǒng)可靠性。設(shè)計完畢后，發(fā)動機與泵閥等關(guān)鍵部件進(jìn)行2 000 h的臺架試驗，從而

7、為后期的產(chǎn)品設(shè)計提供安全和質(zhì)量保障。在挖掘機覆蓋件設(shè)計過程，覆蓋件頂蓋板增加框架結(jié)構(gòu)，沖壓凸點防滑，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。為了提升挖掘機的工作效率，在發(fā)動機設(shè)計時調(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)動機油耗，通過降低能耗的方式來提升挖掘機的工作效率。通過改變液壓油箱底座設(shè)計形式，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度。燃油系統(tǒng)是為挖掘機提供動力的核心。燃油和補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。

8、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)計的一大要點。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)用于液壓挖掘機首先要面對的問題就是液壓系統(tǒng)的減耗。液壓挖掘機在使用過程中一直存在著因為油溫過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)，

9、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，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。單斗液壓挖掘機在進(jìn)行作業(yè)的時候幾乎都是油缸工作，但是大、小

10、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)被廣泛運用到單斗液壓挖掘機中。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)計中，液壓系統(tǒng)與現(xiàn)sy265型挖掘機一致，泵、閥、回轉(zhuǎn)馬達(dá)等關(guān)鍵部件由川崎提供，經(jīng)過市場檢驗的高質(zhì)量液壓

11、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，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，降低回油系統(tǒng)漏油故障;改變液壓油箱底座設(shè)計形式，參照cat324d底座結(jié)構(gòu)形式設(shè)計，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度。4.4 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)旨在確保挖機具有良好的操控性、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

12、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償?shù)乃惴??？刂破鞯乃卸丝趯崿F(xiàn)自診斷，采用了智能顯示屏，實現(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的開發(fā)目標(biāo)比現(xiàn)在市場流通的同級別機器性能更好。在設(shè)計方面，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，實現(xiàn)能量的合理回收和利用，有效減少發(fā)動機的燃油消耗率和降低液壓系統(tǒng)的發(fā)熱。優(yōu)

13、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)化性能的同時實現(xiàn)機器遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，對解決因設(shè)備故障造成的監(jiān)控數(shù)據(jù)滯后的問題有積極性作用，實現(xiàn)監(jiān)控的實時連續(xù)。通過各種設(shè)計優(yōu)化，整機的可靠性大幅提升，通過了2 000 h發(fā)動機臺架耐久試驗和1萬次啟停機試驗。6 結(jié)語綜上所述，在履帶式液壓挖掘機等使用頻率較高的工程機械設(shè)計開發(fā)過程中，首先要對現(xiàn)階段已有挖掘機存在的問題進(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，綜合考慮各項因素展開優(yōu)化，在投入生產(chǎn)使用前，根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和市場標(biāo)準(zhǔn)對可行性進(jìn)行嚴(yán)格檢驗，為投入使用的各項成果提供基礎(chǔ)的安全保障。該文所述挖掘機產(chǎn)品的最終市場占有率名列第一，其各項設(shè)計被推廣應(yīng)用到其他機型中，獲得了極高