小型液压挖掘机平整作业性能的研究

2018-06-29韦家义

建筑机械化 2018年6期

韦家义

（广西玉柴重工有限公司，广西玉林 537005）

平整作业是小型液压挖掘机（以下简称“小挖”）的一种常用的作业形式，其主要工况有平整地面、修坡等，其中使用斗尖进行平整作业居多。平整作业主要是通过斗杆与动臂这两个部件的复合运动来实现的，因此，平整作业性能本质是一种复合运动时的操纵性能，平整作业操纵舒适性主要体现在斗杆与动臂的动作协调性，良好的动作协调性是靠匹配出来的，那么，平整作业性能的匹配即斗杆与动臂两者之间的性能匹配就显得很重要，值得深入研究。

1 平整作业姿态

研究挖掘机的各种作业性能，都需要从作业姿态入手，结合不同工况进行，不同的姿态在不同的工况下体现不同的性能，平整作业也不例外。

在平整作业时，需操纵动臂先导控制手柄（右手柄）和斗杆先导控制手柄（左手柄）同时向后拉实现铲斗的平整刮土动作，同时向前推实现铲斗的平整推土动作。如图1所示，是一种采用斗尖进行平整作业的姿态变化图，以停机面为平整作业面，姿态Ⅰ为平整作业初始位置，铲斗处于垂直挖掘姿态，斗杆油缸全缩；姿态Ⅱ为平整作业目标终了位置；平整作业从姿态Ⅰ开始到姿态Ⅱ过程中，铲斗油缸始终不动作。

在评价平整作业性能水平时，考核指标是：要求从姿态Ⅰ到姿态Ⅱ，平整作业的平整距离（L）达到铲斗与推土铲距离（A）的30%以上，姿态Ⅱ的斗尖离地高度（B）不超过100mm，这样才算是具有良好的作业性能，即L≥30%A，B≤100mm。

2 平整作业的油缸行程匹配

平整作业时斗杆与动臂的性能匹配，首先要了解和研究斗杆油缸和动臂油缸的行程变化与平整点（铲斗斗尖）的轨迹。

如图2所示，平整作业姿态Ⅰ时的油缸行程计算模型图，建立以动臂与平台的铰点O为原点、向左为X轴、向上为Y轴的坐标。

图2 挖掘机平整作业姿态Ⅰ时的油缸行程计算模型图

图中LD0——动臂油缸长度，mm；

β——动臂内侧与水平夹角，°；

Φ——斗杆内侧与水平夹角，°；

ε——斗杆外侧与水平夹角，°；

H——动臂绞点Y距离，mm；

LD1——动臂大腔绞点X距离，mm；

HD1——动臂大腔绞点Y距离，mm；

B——动绞到斗杆油缸大腔绞点距离，mm；

C——动臂绞点到斗杆绞点的距离，mm；

D——斗杆绞点到平土点距离，mm；

E——斗杆油缸小腔绞点到平土点距离，mm。

经运算，可得到一种平整作业时油缸行程匹配关系（图3）、平整作业时斗尖运动轨迹匹配关系（图4）。由此可见，斗杆油缸行程与动臂油缸行程之间为非线性关系，斗尖运动轨迹非直线运动。

图3 一种平整作业时挖掘机油缸行程匹配关系图

图4 一种平整作业时挖掘机斗尖运动轨迹匹配关系图

如图5所示，从图1和图2得到平整作业时动臂油缸铰点变化图（同XOY坐标系）。从姿态Ⅰ到姿态Ⅱ，动臂油缸从位置2到位置3，油缸行程伸长量为ΔS动臂。

如图6所示，从图1和图2得到平整作业时斗杆油缸铰点变化图（同XOY坐标系）。从姿态Ⅰ到姿态Ⅱ，斗杆油缸从位置C到位置D，油缸行程伸长量为ΔS斗杆。

由此可得，斗杆油缸与动臂油缸的行程变化关系：

由如图3可知，k1非线性。

图5 挖掘机平整作业时动臂油缸铰点变化图

图6 挖掘机平整作业时斗杆油缸铰点变化图

斗杆油缸大腔与动臂油缸大腔的面积比：

一般，斗杆油缸小于动臂油缸，则k2＜1。

则有斗杆油缸大腔与动臂油缸大腔的容积比即为单位时间的流量比：

在油缸参数确定后，k2即为常量C。

由上述计算可知，平整作业时，斗杆油缸的行程大于动臂油缸行程，相同时间内斗杆油缸大腔的流量需求大于动臂油缸大腔的流量需求，这正是平整作业性能匹配的根本出发点。

式(4)中，行程、缸径、流量（排量）以及结构件这些参数，都是与设计输入值相关，一旦选定或定型，动臂、斗杆的油缸运动速度就基本确定下来了。也就是说，平整作业特性是挖掘机的一个固有特性，需要在设计开始阶段做好匹配，否则后续再怎么整改优化，也将于事无补。

需注意的是，如果斗杆油缸杆头铰点对斗杆转动铰点的距离（图4所示的LBC）过长，那么斗杆的转角就越大，行程就会越长，流量需求也就会越大，可能导致无法实现平整作业。

3 三泵系统匹配

3.1 压力油源匹配

三泵系统具有良好的操纵性能，是小挖主流的液压系统。但是，不同主机厂，对P1、P2、P3泵的匹配策略各不相同，因此平整作业性能也就有所不同。如图7所示，是一种三泵系统的油源匹配策略图。

图7 一种三泵系统的油源匹配策略图

这个三泵系统的油源匹配策略是：P1泵供压力油给动臂油缸，P2和P3泵合流供压力油给斗杆油缸。

1）当提动臂、收斗杆时，P1泵供压力油给动臂油缸大腔，P2泵和P3泵合流供压力油给斗杆油缸大腔。

2）当下动臂、放斗杆时，P1泵供压力油给动臂油缸小腔，P2泵和P3泵合流供压力油给斗杆油缸小腔。

这个三泵系统的油源匹配策略的目的是：平整作业时，为了获得更大的平整距离、更流畅的操纵感受、斗杆与动臂的动作更加协调，需提高斗杆的动作速度，降低动臂的动作速度，避免动臂过快而导致等待斗杆的现象。由于平整作业时动臂油缸的行程小而斗杆油缸的行程大，这就是意味着斗杆油缸需要更多的流量。

3.2 油缸流量匹配

斗杆大腔需求容积

动臂大腔需求容积

斗杆与动臂大腔需求容积比

斗杆与动臂大腔需求流量比

由于单位时间内，斗杆与动臂大腔需求流量比=斗杆与动臂大腔需求容积比，在平整作业时，无论高速还是低速作业，司机都希望获得一个稳定操纵手感（流量配比），避免忽快忽慢而难以操控，则λ=ν=C（常量）成立。

根据实践经验，斗杆与动臂大腔需求的容积比的取值范围是：2.2≤λ≤2.5。

需注意的是，如果λλ取值越大，则流量需求越大，主泵或系统需提供的流量就会越大，匹配的难度也会加大，甚至无法实现；反之，如λ取值偏小，则无法实现平整作业。

在设计策划阶段，要验算主泵的排量选择和采用的三泵系统匹配策略是否能满足流量配比的需求。根据上述的三泵系统的油源匹配策略，可得：

P1泵供给动臂大腔的流量

P2泵供给斗杆大腔的流量

P3泵供给动臂大腔的流量

P2与P3泵合流斗杆大腔的流量

泵供给斗杆与动臂流量比

若φ≈λ,在λ的取值范围内，则说明流量充足，满足平整作业要求；若φ＜λ,即泵供给斗杆与动臂的流量比小于斗杆与动臂需求的容积比，则无法满足平整作业要求，需采取措施提高流量。如果在满足其它性能匹配的前提下，可以考虑在液压多路阀的动臂阀芯处增加分流回油，减少动臂油缸的流量供给，从而实现泵供给斗杆与动臂的流量比达到或接近斗杆与动臂需求的容积比。

平整作业的负荷不大，为了降低油耗，一般要求发动机在低转速区即可进行平整作业。因此，发动机的低转速区一般取ne=1400～1500rpm。式中

DA——斗杆油缸缸径（mm）；

DB——动臂油缸缸径（mm）；

nA——斗杆油缸数量(个)；

NB——动臂油缸数量(个)；

SA——平土作业时斗杆油缸行程（mm）；

SB——平土作业时动臂油缸行程（mm）；

VA——斗杆大腔需求容积（L）；

VB——动臂大腔需求容积（L）；

QA——斗杆大腔需求流量（L/min）；

QB——动臂大腔需求流量（L/min）；

ν——斗杆与动臂大腔需求容积比；

λ——斗杆与动臂大腔需求流量比；

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——发动机转速（rpm）；

Q1——P1泵供给动臂大腔的流量（L/min）；

Q2——P2泵供给斗杆大腔的流量（L/min）；

Q3——P3泵供给斗杆大腔的（L/min）；

φ——泵供给斗杆与动臂流量比。

3.3 多路阀的斗杆回油再生功能

提高平整作业的性能还可以通过在液压多路阀内设置斗杆回油再生功能的方法来实现。斗杆回油再生功能提速部分的主要作用是弥补三泵系统受不完全发挥功率影响的速度。如斗杆没设置有再生功能，为迁就斗杆，必须降低动臂速度，动臂油缸的流量就会被分流，这就导致整体速度被拉低。斗杆回油再生功能可以提高斗杆动作速度，从而提高平整作业效率。

根据实践经验，对于2.5t以上的小挖，有必要设置斗杆回油再生功能；而对于2.5t以下的小挖，由于P2泵与P3泵的合流已可满足斗杆在平整作业中需求，可不设置斗杆再生功能。如图8所示的斗杆再生原理图；如图9所示的斗杆再生功能图；如图10所示的斗杆阀片阀芯（再生作用）的剖面图。当斗杆内收进行平整作业时，通过斗杆油缸小腔的回油进入斗杆油缸大腔来实现斗杆速度的提升。