一款履带式液压挖掘机的设计开发

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　　摘  要：履带式液压挖掘机是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从工程机械的发展历程来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械之一，其选型尤为重要。该文主要从液压挖掘机的工作原理分析出发，结合某实际挖掘机开发项目进行挖掘机结构布局和重要模块的设计分析，最后从性能角度评价液压挖掘机的表现。
　　关键词：履带式液压挖掘机;设计开发;结构布局;动力系统
　　中图分类号：TU621      文献标志码：A
　　0 引言
　　随着各类大型工程的立项与开展，市场上的各类液压挖掘机数量也越来越多，在各种基建施工过程中被广泛应用。随着市场使用需求的不断增大，挖掘机的种类也在不断增加。实际研发设计过程中，设计人员会根据当前与今后的市场使用需求，来明确液压挖掘机的性能参数与市场定位。实际使用时，由于施工环境和需求的差异，履带式液压挖掘机存在着行动不便等问题，这也是设计优化中重点关注的问题。
　　1 液压挖掘机工作原理
　　液压挖掘机的构成通常包括3个部分，分别是工作装置、回转装置以及行走装置。1）工作装置是指可以径直完成挖掘工作的设备，一般包括动臂、斗杆以及铲斗。出于控制的目的，通常会选择往复式双作用液压缸来协助工作，从而可以实现动臂的起落、斗杆的伸缩以及铲斗的转动。由于必须满足不同施工作业的需求，通常也会给液压挖掘机加装许多额外的工作装置，例如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土和冲击锤之类的作业器具。2）回转以及行走装置是指液压挖掘机的机体，通常会在转台上部安装相应的动力装置以及传动系统。对于液压挖掘机来说，它的动力源是发动机，多数情况下会选择柴油机，某些特殊情况也可换成电动机。液压传动系统的工作原理是借助液压泵，把发动机的动力传送到液压马达以及液压缸之类的执行元件中，由此可以对工作装置起到推动作用，辅助完成所有作业 [1] 。
　　2 项目概况
　　某公司立项研发24 t矿山型液压挖掘机，旨在提高中小型矿山石方工况市场的产品市场占有率，整个研发过程历时2.5年。从最初的市场调研、产品定位，到标杆机研究、技术路线、方案评审和试验验证，进行了全方位的、细致入微的分析与探讨。在试验验证方面，引入了完整的试验验证体系，生产4台研发样机，对机器进行全方位的耐久验证，包括多轮的振动跑道、8字行走、石方挖掘等整机耐久试验。部件采用了严格的试验条件以确保质量可靠，包括泵阀发动机台架耐久试验、工作装置两轴疲劳试验、燃油箱、液压油箱、消声器、散热器和驾驶室等关键部振动试验。结构件可靠性方面，通过对关键部位选择高强度钢材、优化焊接工艺和热处理工艺，提高疲劳寿命。
　　3 挖掘机结构布局
　　履带式液压挖掘机的结构件主要分为上部转台和行走机构。上部转台的基础构件通常包括发动机、减震器主泵、主阀、驾驶室以及回转结构，同时也包括回转街头、转台、液压油箱、燃油箱、控制油路与电器部件以及配重等。履带式液压挖掘机的行走机构由履带架、履带、引导轮、支重轮、托轮、终传动以及张紧装置等构成，如图1所示。
　　4 重点模块设计实现
　　4.1 结构件
　　基础结构件不仅是构成履带式挖掘机的基础，也是设计优化过程中的内容之一。因此，想要进行性能上的优化，就必须结合实际问题对构件作用和问题原因进行分析，然后再进行有针对性的优化。为了增加结构可靠性，设计时采取了以下5项措施。1）平台的动臂安装部位（故障多发部位）参考CAT324D结构，将内侧加强板延伸到面板下侧，降低承载应力。2）更改面板的倾斜角度，避免多条焊缝集中到一点。3）主梁外侧增加加强板，其作用在于改善应力集中，提高疲劳寿命（量产机型已证明有效的对策措施），经过动臂销孔的接触应力计算，显著降低了该处面压。4）平台的动臂油缸安装部位（故障多发部位），将对动臂油缸耳板开坡口，增大焊缝有效高度，提高承载能力。5）参考卡特将耳板尾部延长，降低应力。
　　4.2 动力系统
　　履帶式液压挖掘机的燃油系统和发动机对整个挖掘机的工作效率有直接影响 [2]。在该次研究设计过程中，对于发动机采用并联一级过滤，提高燃油系统精度，提升发动机喷油系统可靠性。设计完毕后，发动机与泵阀等关键部件进行2 000 h的台架试验，从而为后期的产品设计提供安全和质量保障。在挖掘机覆盖件设计过程，覆盖件顶盖板增加框架结构，冲压凸点防滑，底盖板局部加厚、采用冲压结构，不拆卸部位将底盖板焊接。为了提升挖掘机的工作效率，在发动机设计时调整外特性曲线，增大低速扭矩和额定功率，优化油耗曲线，进一步降低发动机油耗，通过降低能耗的方式来提升挖掘机的工作效率。通过改变液压油箱底座设计形式，加大横向螺栓孔距离，由214 mm增大至300 mm，可有效降低最大应力值，提高油箱底角的抗疲劳强度。
　　燃油系统是为挖掘机提供动力的核心。燃油和补充燃油的过程中要避免燃油中混入杂质。水、灰、杂草是修理过程中的常见杂物，它们会对燃油泵的使用寿命造成较大负面影响。除此之外，燃油的质量对工作效率有直接影响，因此优化燃油系统也是设计的一大要点。
　　4.3 液压系统
　　液压系统耗能主要是油耗，因此高效节能技术应用于液压挖掘机首先要面对的问题就是液压系统的减耗。液压挖掘机在使用过程中一直存在着因为油温过高而降低工作效率的问题。液压系统主要包括4种。1）定量系统是指主泵输出固定流量的液压系统。对于定量系统来说，如果没有发生溢流的问题，那么所有执行元件都是根据油泵供给的固定流量来进行工作的，而油泵的功率不仅会受到这一固定流量的影响，也会受最大工作压力的影响。2）变量系统是指主泵的流量会随着调节系统的变动而发生波动的液压系统。变量系统使用最普遍的是双泵双回路恒功率变量系统，按照功率的差异通常会分成分功率变量调节系统和全功率变量调节系统。分功率变量调节系统最显著的特点，就是对于系统的每个回路都会各自设置恒功率变量泵和恒功率调节器。在这种情况下，各油泵从发动机那里获得的功率相同;至于全功率调节系统，最大的区别就是它仅靠一个恒功率调节器就可以实现对系统内每一油泵的流量变化的同时操纵，由此实现同步变量。3）开式系统。开式系统执行元件的回油一般都是径直流回油箱的，它具备的明显优势就是系统简单以及散热效果显著。但缺点也很明显，那就是油箱容量大，低压油路很容易直接接触到空气，而且管路中也容易出现空气，从而导致振动问题。单斗液压挖掘机在进行作业的时候几乎都是油缸工作，但是大、小有腔油缸之间的区别较为明显，而且工作频繁、发热频繁，从而导致开式系统被广泛运用到单斗液压挖掘机中。4）闭式回路。闭式回路的执行元件的回油路并非径直通往油箱，因此具备结构紧凑，油箱容积小的优势，进回油路里面存在部分的压力可以隔绝空气与管路，确保运转不受到影响的同时还能尽量减弱换向时产生的冲击。不过由于其系统相对复杂，在使用的时候容易出现散热条件差的问题，因此在单斗液压挖掘机中有部分系统会选择闭式回路的液压系统，例如回转装置，这对弥补由于液压马达正反转所导致的油液漏损问题有积极作用 [3] 。 　　该次设计中，液压系统与现SY265型挖掘机一致，泵、阀、回转马达等关键部件由川崎提供，经过市场检验的高质量液压元器件很大程度上保证了液压系统的可靠，并在此基础上对主阀性能进行进一步优化。优化主阀回转阀芯，提高动臂对回转复合动作协调性;优化铲斗阀芯，防止吸空，提高铲斗卸载速度。参照CAT标杆对主泵吸油管路及装配工艺重新设计，降低吸油管路漏油故障。改变回油旁通管路连接形式，采用扣压胶管连接，减少漏油点，降低回油系统漏油故障;改变液压油箱底座设计形式，参照CAT324D底座结构形式设计，加大横向螺栓孔距离，由214 mm增大至300 mm，可有效降低最大应力值，从而提高油箱底角的抗疲劳强度。
　　4.4 控制系统
　　控制系统旨在确保挖机具有良好的操控性、较高的挖掘力和效率，同时提高电气元件可靠性。优化过程中采用自主控制器，以最优的程序控制液压、动力系统的功率匹配使用，提高整机作业效率和油耗水平。程序控制方面，对卡特核心的功率控制进行测试并解析，同时移植了卡特的高压段增加功率补偿的算法。控制器的所有端口实现自诊断，采用了智能显示屏，实现“汽车指针式”显示、操作保养提醒和故障代码记录功能。
　　5 性能分析
　　该款液压式履带挖掘机的开发目标比现在市场流通的同级别机器性能更好。在设计方面，通过前后泵的压力差精确区分高低负荷区域，通过针对性的发动机转速调整进一步提高节能效果。采用自动过滤结构，提高过滤结构对燃油的过滤精度。通过新型能量回收方式设计，实现能量的合理回收和利用，有效减少发动机的燃油消耗率和降低液压系统的发热。优化“正流量”系统和“DMCOS”动态寻优智能匹配控制系统，效率提高8%，油耗降低10%。优化性能的同时实现机器远程实时监控系统的开发，对解决因设备故障造成的监控数据滞后的问题有积极性作用，实现监控的实时连续。通过各种设计优化，整机的可靠性大幅提升，通过了2 000 h发动机台架耐久试验和1万次启停机试验。
　　6 结语
　　综上所述，在履带式液压挖掘机等使用频率较高的工程机械设计开发过程中，首先要对现阶段已有挖掘机存在的问题进行收集分析，然后对各相关的具体构件进行分析。经过具体的分析和数据整理，综合考虑各项因素展开优化，在投入生产使用前，根据设计标准和市场标准对可行性进行严格检验，为投入使用的各项成果提供基础的安全保障。该文所述挖掘机产品的最终市场占有率名列第一，其各项设计被推广应用到其他机型中，获得了极高的评价。
　　参考文献
　　[1]孙祥云，王卓群，付圣灵.一种矿用液压挖掘机铲斗开闭液压控制系统设计[J].中国新技术新产品，2020（1）：45-46.
　　[2]夏连鹏，权龙，曹东辉，等.液气储能双缸驱动大型液压挖掘机动臂节能特性研究[J].机械工程学报，2019，55（20）：240-248.
　　[3]李建松，丁海港，趙继云，等.超大型液压挖掘机混合式动臂势能回收系统设计及仿真分析[J].液压与气动，2019（7）：33-38.
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