一款履帶式液壓挖掘機的設計開發

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、泥沙以及經過預松后的土壤和巖石。從工程機械的發展歷程來看，挖掘機的發展相對較快，而挖掘機作為工程建設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，結合某實際挖掘機開發項目進行挖掘機結構布局和重要模塊的設計分析，最后從性能角度評價液壓挖掘機的表現。

關鍵詞：履帶式液壓挖掘機;設計開發;結構布局;動力系統

中圖分類號：TU621? ? ?文獻標志碼：A

0 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量也越來越多，在各種基建施工過程中被廣泛應用。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。實際研發設計過程中，設計人員會根據當前與今后的市場使用需求，來明確液壓挖掘機的性能參數與市場定位。實際使用時，由于施工環境和需求的差異，履帶式液壓挖掘機存在著行動不便等問題，這也是設計優化中重點關注的問題。

1 液壓挖掘機工作原理

液壓挖掘機的構成通常包括3個部分，分別是工作裝置、回轉裝置以及行走裝置。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，通常會選擇往復式雙作用液壓缸來協助工作，從而可以實現動臂的起落、斗桿的伸縮以及鏟斗的轉動。由于必須滿足不同施工作業的需求，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器具。2）回轉以及行走裝置是指液壓挖掘機的機體，通常會在轉臺上部安裝相應的動力裝置以及傳動系統。對于液壓挖掘機來說，它的動力源是發動機，多數情況下會選擇柴油機，某些特殊情況也可換成電動機。液壓傳動系統的工作原理是借助液壓泵，把發動機的動力傳送到液壓馬達以及液壓缸之類的執行元件中，由此可以對工作裝置起到推動作用，輔助完成所有作業 [1] 。

2 項目概況

某公司立項研發24 t礦山型液壓挖掘機，旨在提高中小型礦山石方工況市場的產品市場占有率，整個研發過程歷時2.5年。從最初的市場調研、產品定位，到標桿機研究、技術路線、方案評審和試驗驗證，進行了全方位的、細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4臺研發樣機，對機器進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。部件采用了嚴格的試驗條件以確保質量可靠，包括泵閥發動機臺架耐久試驗、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鍵部振動試驗。結構件可靠性方面，通過對關鍵部位選擇高強度鋼材、優化焊接工藝和熱處理工藝，提高疲勞壽命。

3 挖掘機結構布局

履帶式液壓挖掘機的結構件主要分為上部轉臺和行走機構。上部轉臺的基礎構件通常包括發動機、減震器主泵、主閥、駕駛室以及回轉結構，同時也包括回轉街頭、轉臺、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由履帶架、履帶、引導輪、支重輪、托輪、終傳動以及張緊裝置等構成，如圖1所示。

4 重點模塊設計實現

4.1 結構件

基礎結構件不僅是構成履帶式挖掘機的基礎，也是設計優化過程中的內容之一。因此，想要進行性能上的優化，就必須結合實際問題對構件作用和問題原因進行分析，然后再進行有針對性的優化。為了增加結構可靠性，設計時采取了以下5項措施。1）平臺的動臂安裝部位（故障多發部位）參考CAT324D結構，將內側加強板延伸到面板下側，降低承載應力。2）更改面板的傾斜角度，避免多條焊縫集中到一點。3）主梁外側增加加強板，其作用在于改善應力集中，提高疲勞壽命（量產機型已證明有效的對策措施），經過動臂銷孔的接觸應力計算，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，降低應力。

4.2 動力系統

履帶式液壓挖掘機的燃油系統和發動機對整個挖掘機的工作效率有直接影響 [2]。在該次研究設計過程中，對于發動機采用并聯一級過濾，提高燃油系統精度，提升發動機噴油系統可靠性。設計完畢后，發動機與泵閥等關鍵部件進行2 000 h的臺架試驗，從而為后期的產品設計提供安全和質量保障。在挖掘機覆蓋件設計過程，覆蓋件頂蓋板增加框架結構，沖壓凸點防滑，底蓋板局部加厚、采用沖壓結構，不拆卸部位將底蓋板焊接。為了提升挖掘機的工作效率，在發動機設計時調整外特性曲線，增大低速扭矩和額定功率，優化油耗曲線，進一步降低發動機油耗，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，可有效降低最大應力值，提高油箱底角的抗疲勞強度。

燃油系統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。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面影響。除此之外，燃油的質量對工作效率有直接影響，因此優化燃油系統也是設計的一大要點。

4.3 液壓系統

液壓系統耗能主要是油耗，因此高效節能技術應用于液壓挖掘機首先要面對的問題就是液壓系統的減耗。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。液壓系統主要包括4種。1）定量系統是指主泵輸出固定流量的液壓系統。對于定量系統來說，如果沒有發生溢流的問題，那么所有執行元件都是根據油泵供給的固定流量來進行工作的，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）變量系統是指主泵的流量會隨著調節系統的變動而發生波動的液壓系統。變量系統使用最普遍的是雙泵雙回路恒功率變量系統，按照功率的差異通常會分成分功率變量調節系統和全功率變量調節系統。分功率變量調節系統最顯著的特點，就是對于系統的每個回路都會各自設置恒功率變量泵和恒功率調節器。在這種情況下，各油泵從發動機那里獲得的功率相同;至于全功率調節系統，最大的區別就是它僅靠一個恒功率調節器就可以實現對系統內每一油泵的流量變化的同時操縱，由此實現同步變量。3）開式系統。開式系統執行元件的回油一般都是徑直流回油箱的，它具備的明顯優勢就是系統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空氣，從而導致振動問題。單斗液壓挖掘機在進行作業的時候幾乎都是油缸工作，但是大、小有腔油缸之間的區別較為明顯，而且工作頻繁、發熱頻繁，從而導致開式系統被廣泛運用到單斗液壓挖掘機中。4）閉式回路。閉式回路的執行元件的回油路并非徑直通往油箱，因此具備結構緊湊，油箱容積小的優勢，進回油路里面存在部分的壓力可以隔絕空氣與管路，確保運轉不受到影響的同時還能盡量減弱換向時產生的沖擊。不過由于其系統相對復雜，在使用的時候容易出現散熱條件差的問題，因此在單斗液壓挖掘機中有部分系統會選擇閉式回路的液壓系統，例如回轉裝置，這對彌補由于液壓馬達正反轉所導致的油液漏損問題有積極作用 [3] 。

該次設計中，液壓系統與現SY265型挖掘機一致，泵、閥、回轉馬達等關鍵部件由川崎提供，經過市場檢驗的高質量液壓元器件很大程度上保證了液壓系統的可靠，并在此基礎上對主閥性能進行進一步優化。優化主閥回轉閥芯，提高動臂對回轉復合動作協調性;優化鏟斗閥芯，防止吸空，提高鏟斗卸載速度。參照CAT標桿對主泵吸油管路及裝配工藝重新設計，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，降低回油系統漏油故障;改變液壓油箱底座設計形式，參照CAT324D底座結構形式設計，加大橫向螺栓孔距離，由214 mm增大至300 mm，可有效降低最大應力值，從而提高油箱底角的抗疲勞強度。

4.4 控制系統

控制系統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。優化過程中采用自主控制器，以最優的程序控制液壓、動力系統的功率匹配使用，提高整機作業效率和油耗水平。程序控制方面，對卡特核心的功率控制進行測試并解析，同時移植了卡特的高壓段增加功率補償的算法。控制器的所有端口實現自診斷，采用了智能顯示屏，實現“汽車指針式”顯示、操作保養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目標比現在市場流通的同級別機器性能更好。在設計方面，通過前后泵的壓力差精確區分高低負荷區域，通過針對性的發動機轉速調整進一步提高節能效果。采用自動過濾結構，提高過濾結構對燃油的過濾精度。通過新型能量回收方式設計，實現能量的合理回收和利用，有效減少發動機的燃油消耗率和降低液壓系統的發熱。優化“正流量”系統和“DMCOS”動態尋優智能匹配控制系統，效率提高8%，油耗降低10%。優化性能的同時實現機器遠程實時監控系統的開發，對解決因設備故障造成的監控數據滯后的問題有積極性作用，實現監控的實時連續。通過各種設計優化，整機的可靠性大幅提升，通過了2 000 h發動機臺架耐久試驗和1萬次啟停機試驗。

6 結語

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計開發過程中，首先要對現階段已有挖掘機存在的問題進行收集分析，然后對各相關的具體構件進行分析。經過具體的分析和數據整理，綜合考慮各項因素展開優化，在投入生產使用前，根據設計標準和市場標準對可行性進行嚴格檢驗，為投入使用的各項成果提供基礎的安全保障。該文所述挖掘機產品的最終市場占有率名列第一，其各項設計被推廣應用到其他機型中，獲得了極高的評價。

參考文獻

[1]孫祥云，王卓群，付圣靈.一種礦用液壓挖掘機鏟斗開閉液壓控制系統設計[J].中國新技術新產品，2020（1）：45-46.

[2]夏連鵬，權龍，曹東輝，等.液氣儲能雙缸驅動大型液壓挖掘機動臂節能特性研究[J].機械工程學報，2019，55（20）：240-248.

[3]李建松，丁海港，趙繼云，等.超大型液壓挖掘機混合式動臂勢能回收系統設計及仿真分析[J].液壓與氣動，2019（7）：33-38.