沙漠型推土机特殊设计要求的探讨

2019-11-28王清锴李荣绪季有昌

装备制造技术 2019年9期

王清锴，李荣绪，季有昌，金丹

（1.山推工程机械股份有限公司，山东济宁272073；2.山东科技职业学院机械工程系，山东潍坊261053）

0 引言

在我国的西北地区、以及沙特阿拉伯、伊拉克、阿尔及利亚等国家，沙漠地区占其土地面积比大，其气候特点是干旱、风沙大，高温（部分沙漠地区的夏季温度高达60℃左右）等，在这种恶劣的气候条件及工况下，在国内能正常使用的设备在此工况下往往不能适应，易出现柴油发动机早期磨损[1]、水温高、散热器损坏、密封件易老化、电器件失效、液压软管破损漏油和工作装置磨损较快等故障及问题，给使用单位及用户带来损失，因此有必要采取相应的措施，以确保推土机在上述沙漠工况下（见图1）正常作业。

图1 沙漠型推土机施工场景

沙漠型推土机主要用于沙漠场所的开挖、整修、布线以及石油开采的辅助作业中等工况，除了要满足普通推土机的基本功能外，还要有针对性地根据沙漠工况特点进行特殊设计[2-3]。本文是在分析沙漠型推土机工况特点的基础上，相应地提出了沙漠型推土机动力系统、液压系统等主要部件的设计特点和特殊要求，为我国工程机械厂家开发沙漠型推土机提供参考。

1 沙漠型推土机的工况特点分析

目前，国内生产的推土机环境适应温度一般在-35℃～50℃之间，主要应用于国内普通的筑路、水利、矿山等土石方作业工况，可适应沙漠条件下作业的推土机较少。对于长时间高温、风沙大的沙漠工况，其作业环境和作业对象对推土机的影响具有以下特点。

（1）由于沙漠中干旱少雨，气温高、风沙大、沙子细而致密，会对发动机的进气系统和冷却系统造成危害，首先，细小的沙尘容易进入发动机空滤器并堵塞滤芯，沙尘颗粒质地坚硬，容易造成发动机早磨等故障，使得发动机无法正常工作。其次，散热器易被扬起的沙尘堆积堵塞，有时高速旋转的沙粒击打散热器，造成散热器叶片变形或泄露等故障。

（2）推土机用的各种油液的黏度会随着温度的升高而降低，不易在机体表面形成油膜，如液压油快速变质，润滑油的润滑效果变差等[4]，会加剧相关零部件的磨损，降低使用寿命，造成推土机的整体工作效率降低。

（3）长期的高温环境容易造成液压密封件（如O型圈、骨架油封）老化[5]，寿命变短而丧失密封作用，同时沙尘附着在橡胶软管上或油缸活塞杆上，易出现腐蚀、磨损等故障。

（4）沙漠型推土机作业环境温度高，紫外线强，电气元件和线束的老化速度加快。由于长期的高温环境下，易造成线路短路或导电性能变差，同时会加快蓄电池电解液的蒸发[4]，缩短蓄电池的使用寿命。

（5）由于沙漠的密度大，推土机的履带、台车、工作装置、终传动壳体等外露零部件容易受到磨损，减小车辆部分零部件的使用寿命，另外，由于沙漠的抗陷系数较小，需要推土机具有较小的接地比压。

（6）风沙大、环境温度高不仅给推土机带来严重质量隐患，降低推土机的作业效率和使用性能，同时也会对操作人员身体造成严重伤害。

因此，在设计沙漠型推土机的过程中，针对这一特殊作业工况特点，为提高推土机在恶劣工况下的作业效率和工作能力，需要考虑沙漠环境中如防风沙、高温适应性和驾乘环境等多方面因素，才能设计出满足沙漠工况要求的沙漠型推土机。

2 沙漠型推土机的设计要求

沙漠型推土机是一款特殊的推土机，通常是根据沙漠型推土机的工况特点，在普通推土机基础上对部分零部件进行重新设计或改进，以满足沙漠环境下的作业要求，因此，本文只对沙漠型推土机的特殊设计要求加以论述。

2.1 动力系统的设计要求

沙漠型推土机的动力系统主要包括发动机和散热系统，在设计过程中要着重考虑发动机进气系统的防尘性能，必须避免发动机因散热器的堵塞而处于长时间高温工作状态，同时散热器要具有可靠高效的散热能力，来实现发动机及各系统的热平衡，从而提高系统的使用寿命。

（1）为保证发动机的进气量，并防止大量细小的沙尘进入机体而造成发动机部件早磨，需增大空气滤清器容量及增加过滤等级，由普通的二级过滤增强为三级过滤或者采用专用复合多级空滤器，并且尽可能地将进气口加高，防止沙尘的进入，提高进气系统过滤沙尘的能力，同时增加额外一级空滤器，加大进气系统的容灰量，延长滤芯保养周期。按照GB/T21156.1-2007的规定，保证在4K4S环境条件下具有8 h以上不需要保养的周期。此外，对沙漠型推土机的发动机，应加注具有极强耐高温性能的SAE20W-50机油。如图2所示为设计的专用高置多级空滤，通过将发动机预滤器及空滤器安装在驾驶室上部，远离颗粒物聚集区。

（2）普通工况中，飞虫、柳絮等异物在散热器表面的积累会影响散热，常规的散热器护网即可起到明显的作用；而沙漠环境更多的需要考虑大量沙石对散热器的破坏，常规的散热器护网作用有限，需要专用的网格式防沙护网，如图3为设计的一种散热器防沙护网。依靠高密度并有一定厚度的护网网格来减缓沙石移动速度，消除其对散热器的威胁。

（3）在沙漠高温环境下，为了避免发动机长时间在高温系统下工作，满足发动机及各系统的热平衡，需配备加大散热器，采用直通式芯体，并提高发动机风扇转速、加大风扇风量等，同时，发动机风扇可选用特殊结构，如增加风扇反转功能，通过转换吹风及吸风模式，便于及时快速清除散热器上的沙尘，加长散热器维护保养周期，降低劳动强度。

（4）机罩前护栅设计为特殊的导流防护栅，将发动机风扇吹起的气流通过前护栅后斜向上吹出，有效解决推土机正常作业时扬起大量沙尘，避免沙尘等杂物进入车体，损坏、堵塞散热器，影响整机散热性能。

图2 专用高置多级空滤器

图3 散热器防沙护网

2.2 液压系统的设计要求

沙漠工况下，环境温度可达到40℃～60℃，甚至更高，推土机各部件也处于高温状态工作，高温环境会使推土机液压油中的空气快速膨胀，产生气穴，对液压系统产生危害，另外，高温可使密封件老化及液压油快速变质，造成漏油及润滑不良等故障。因此沙漠型推土机液压系统有以下设计要求：

（1）密封件设计要求：高温环境容易造成常规密封件快速老化，丧失密封作用从而导致液压油泄漏，影响推土机使用。目前推土机常用的O形圈材料有丁睛橡胶NBR-1B、硅橡胶VMQ-1C和氟橡胶FKM-1E，丁睛橡胶的使用温度为-30℃～+100℃，硅橡胶的使用温度为-55℃～+180℃；氟橡胶的使用温度为-20℃～+160℃。硅橡胶和氟橡胶都具有良好的物理机械性能和压缩变形性能，化学稳定性好，耐高温性能优异，硅橡胶常用于3 MPa以下的低压系统，而氟橡胶可适应14 MPa左右的高压系统。对于沙漠型推土机，为满足其使用要求，可根据不同液压系统的压力，选用硅橡胶VMQ-1C或氟橡胶FKM-1E。

（2）橡胶软管设计要求：橡胶软管因其良好的柔性及方便安装的特点，在推土机液压系统中大量应用，由于沙漠型推土机长时间处于高温的作业环境中，橡胶管容易出现磨损、渗油、容易老化等问题，所以沙漠型推土机外露橡胶管要增加耐高温的保护套。

（3）为降低液压系统的使用温度，变速转向液压系统可以使用两级冷却，即在常规的水箱下部水冷的基础上再增加一级新的风冷散热器，并且高温液压油需先经过新的风冷散热器再经过原水冷散热器，以降低对水箱的热负荷；同时为提高散热效率，新的散热器最好是铝质的。

（4）液压油要采用具有良好的黏温性和适中的黏度指数的油品，可选用SAE15W-40液压油等，同时为防止沙尘对污染液压油，需要对液压油采取一定的防尘措施，如在液压油箱的加油口、通气口等处加装高质量的防尘滤网等。

2.3 电气系统的的设计要求

高温沙漠环境也会对推土机的电气系统造成极大影响，如沙尘进入电气插接头处容易造成线路短路故障、高温使电气元件快速老化、另外强烈的光照以及扬起的沙尘会对仪表台等部件造成破坏等，故沙漠型推土机电气系统有以下设计要求：

（1）整车线束采用无缝式蛇皮管、T型分线器。无缝式蛇皮管密封性好，强度高，有较强的防水、防尘、防腐蚀能力，其防护等级达到IP67，可将灰尘等颗粒物和露水等完全隔离，有效保障整车线束的安全。

（2）蓄电池在高温环境下，电解液蒸发速度会加快，要选用高可靠性的免维护蓄电池。

（3）采用高密封性的接插件及开关，防止因沙尘进入造成系统不稳定、开关卡滞甚至线路短路等故障，外露的接插件要设计防护装置等，以免磨损。

用肉眼鉴别结果表明，第⑩土层主要成分以鳞片状云母、石英、长石为主，云母含量丰富，呈砂土状。应用透射偏光显微镜对⑩土层与下覆强风化层岩石成分进行对比鉴定，如图2所示。土的镜下鉴别为砂粒结构，颗粒分选中等，磨圆呈次圆—棱角状；土中颗粒成分主要包括云母，石英，长石及岩石碎屑，黑云母含量较多，定向排列，岩屑为变质岩岩屑，岩屑中亦含较多的黑云母。下覆基岩镜下鉴定为细粒变晶结构，变晶矿物为石英(含量为60%)和黑云母(含量35%)，云母均呈连续定向排列，基质结构为细粒粒状鳞片变晶结构，片麻状构造，定名为细粒黑云片麻岩。第⑩层为黑云片麻岩原位全风化产物，保持了原岩中云母定向排列特征，呈砂土状。

（4）仪表箱采用金属外壳的箱体来代替注塑箱体，注塑箱体很容易被沙粒等击打损坏，导致仪表等电气元件损坏，金属箱体可有效的保护仪表，接插件等电气元件。

2.4 底盘系统的设计要求

推土机的底盘系统包括台车、履带、支重轮等，其承受着整车的重量。沙漠型推土机的的底盘系统在设计时需要保证具有较高的耐磨性、较好的附着性能等。

（1）台车支重轮两侧安装全防护的支重轮护板，防止物料进入对其严重磨损，同时对终传动内壳体增加保护装置（见图4），减缓推土机作业时对其终传动内壳体的磨损，提高终传动内壳体的使用寿命。

图4 终传动外壳体保护装置

（2）由于沙漠的抗陷系数一般较小，沙漠型推土机底盘系统要求具有低接地比压，可考虑采用加长宽幅单齿履带板，即增加沙漠型推土机的接地面积，又有利于牵引力的充分发挥。

（3）为减少与沙子等物料的磨损，可适当增大沙漠型推土机底盘的离地间隙并改进底盘结构，如采用壳式底盘结构（见图5），能有效延长底盘部件使用寿命，同时通过性能更好。

图5 壳式底盘结构

2.5 驾乘系统的设计要求

（1）改善驾驶室与周边接触面的密封结构（如采用迷宫密封等）[6]，同时驾驶室门、窗采用夹层钢化玻璃等，使驾驶室具有良好的密封性，配置具有较强制冷功能的空调，在高温环境下，保持驾驶室内较低的舒适温度。

（2）驾驶室标配专用的净化增压装置（见图6），保证驾驶室内部空气清新和流动性好，为驾驶员创造良好的工作环境。

（3）沙漠地区夏季白天高温不适合作业，往往进行夜间作业，需在驾驶室上设计多个工作灯，为夜间施工提供良好的照明保障。

图6 净化增压装置

2.6 工作装置的设计要求

由于沙漠型推土机的作业对象是各种沙粒，主要作业方式是将这些沙粒进行移位、堆积等，为实现较高的生产效率，需要配置容量大、耐磨性高的沙漠铲，其铲头的横向结构呈U形，具有较强的集沙、运沙能力，特别适用于运沙距离较远（50 m以上）时沙粒的堆积等作业[7]。沙漠铲要采用高强度的封闭箱型结构，其弧形板采用高性能的耐磨材料，并设计为双层结构，确保其耐磨性和耐用度。

在铲刀合理设计和选择的基础上，同时针对沙漠特殊工况，后部常装有绞车[8]（见图7），绞车安装在推土机的后端，依靠卷扬来完成对物料的牵引作业，同时在危险地段作业时，备有绞车可以进行推土机自救。

图7 绞车

2.7 其它设计要求

（1）沙漠型推土机的外观零部件要具备足够的防护能力，防止沙尘、沙粒的侵入，避免关键零部件受到冲击和损坏。如对蓄电池、工作油箱设置防护罩等。

（2）沙漠型推土机上下车通道的扶手和踏板应有足够强度且防滑，避免操作人员在恶劣的环境中作业时受伤。

（3）沙漠工况环境恶劣，基础设施不完善，沙漠型推土机可以配置跨接电缆线，推土机电池馈电时，可实现两台设备之间的电池充电，减少不必要的损失，这也是人性化设计的体现。

另外，为了提高沙漠型推土机的维护保养效率，可以考虑采用履带自动张紧装置、集中润滑装置等先进技术。

3 设计实例

本文提出的沙漠工况环境下的推土机特殊设计，已应用在山推SD17-3 RS沙漠型推土机上（见图8），经装机试制及对比试验验证（见表1），此机型的环境适应性更强、可靠性更高，整机的使用寿命提高20%左右，整机的维护保养成本每年降低约25%，使用效果良好，目前已广泛使用在内蒙古库布其沙漠光伏生态发电项目（见图9）中等。