PH4100XPC 电铲行走系统性能提升方案分析

张晓峰

（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006）

PH4100XPC 电铲是美国P＆H 公司生产制造的一款大型矿用挖掘机，具有生产率高、作业率高、操作成本低等特点，是目前采矿业最为先进机型之一。中煤平朔集团公司于2008—2009 年为安太堡露天矿和安家岭露天矿购进并相继投入运行了7 台4100XPC 电铲，在2011—2012 年为东露天矿购置了4 台4100XPC 电铲。4100XPC 电铲整机工作质量约为1 600 t。结构主要有行走系统（侧机架、车体）、回转系统（回转框架）、提升系统（大臂、提升滚筒）推压系统（勺杆、铲斗）[1]，位于电铲下部的行走系统承载着整机的工作质量并用来完成电铲的行走。电铲的车体起电铲底座的作用，侧机架固定在车体的左右两侧，起承载和控制履带行进装置的作用。

1 行走系统的特点及参数

1）电铲自身质量大。4100XPC 电铲作为履带式行走设备其自身质量为1 486 900 t（76＂履带板）；1 491 400 kg（87＂履带板）。

2）履带较宽。提供不同宽度履带板。由于设备使用环境不同要求对地压强不同，为适应电铲所处工作面较低的压强要求，采用较宽的履带减小对地压强，大型履带板常采用不带履刺的平底结构[2]。

3）爬坡度较小。上下坡行走的最大倾角为20%，横向行走的最大倾角为10%，不建议反向上下坡行走。在水平表面的反向行走应尽可能避免，因为对履带零部件的压力太大。同时电铲在倾角较大时发生溜车现象，斜坡上可能会发生倾倒或者损坏，导致严重的伤亡或者财产损失，一般情况不要超过最大推荐坡度[3]。

4）行走速度慢。大型电铲挖掘机的行走速度较低，约为1.609 3 km/h。行走速度超过设计值后对行走系统“四轮一带”的考验是巨大的，同时对行走电机以及行走减速箱等总成件也会造成损坏，加速电铲上部的震动，缩短相关部件的使用寿命[4]。

2 支重轮的承重能力计算

行走系统中16 个支重轮支撑起了整个电铲的重量，也就是说支轮铜套是支重轮的主要磨损件，已知铜套直径D 为216 mm，宽度h 为231 mm，电铲的自重为1 600 t。根据压强公式：

式中：p 为支重轮的平均压强，Pa；F 为支重轮所承受的力，N；G 为电铲重力，N；S 为16 个支重轮也就是32 个铜套的总面积，m2；Sm为每个铜套接触面积，m2。

经计算可得支重轮的平均压强p 为9.82 MPa。当电铲出现极端工况，只有2 个支重轮受力的时候，也就是左右两侧受力时，则有支重轮的平均压强的最大值pmax为78.56 MPa。为了减小支重轮的承重压强，就要让支重轮铜套的接触面积增大。

3 现行走系统所暴露出的问题

3.1 行走系统故障率高

4100 电铲自2008 年投入运行以来，已使用了接近14 年，侧机架结构件开裂、磨损、变形严重。造成的一些支重轮安装基孔损坏，需要在坑下电铲作业面停机检修，进行临时堆焊、镗孔。甚至有一些故障较为复杂的检修工作，不得不进行侧机架结构件和“四轮一带”部件的总成件整体更换造成故障停机时间长、采矿生产压力增大，维修作业安全生产也存在较大安全隐患。据电铲使用跟踪，每个月4100 电铲故障停机时间为15.58 h，行走系统的故障能达到12.21 h，占故障时间的80%，4100XPC 电铲主要故障来自行走系统，可见行走系统的故障是较高的[5]。

3.2 支重轮使用寿命明显缩短

国内供应商提供的支重轮新件尺寸大于P＆H图纸尺寸，1754 电铲于2019 年12 月更换支重轮，超过1.5 年后，右侧支重轮尺寸仍然超过P＆H 图纸尺寸，最大的测量值约超图纸尺寸2%。

国内供货商的热处理控制是否满足质量稳定性要求，同侧的支重轮如果尺寸和硬度不均匀，易造成各支重轮受力不均匀，载荷集中，各轮磨损值经过一段时间运行后，磨损差异增大，更加恶化这种趋势，同时也加剧了履带板金属流动现象。同侧支重轮尺寸差异以1754 电铲左侧为例，最大最小测量值相差超过8%。3010 电铲拆下的报废支重轮直径799 mm，远大于P＆H 图纸尺寸787.4 mm。

3.3 侧机架装配基准丢失

电铲行走系统单侧8 个支重轮、双侧16 个支重轮是要求在同一水平面、轴心在同一水平线上作业的，平均分摊设备整机的工作载荷的。相反安装基准不同心或不同轴会造成严重的部件偏磨和损坏事故。现场更换支重轮时临时性的堆焊和机加支重轮基孔。达不到设计要求的同心度、同轴度的要求，为部件的过度磨损、损坏留下隐患，使用寿命缩短。间接造成支重轮部件的使用寿命缩短，由于机械的关联性，造成其他安装配合组件的加速磨损和使用寿命达不到预期。据调查，拆卸下来的侧机架结构件目前是外委给承修商进行。承修过程只是进行了裂纹的焊修，机加面没有进行测量是否变形，是否满足和车体贴合面的零间隙配合要求无法论证，所有轴孔堆焊后重新机加是没有原厂设计图纸对照，机加公差要求范围也没有标准[6-7]。

通过对拆下的侧机架对比发现的问题：①结构钢板、筋板、翼板、滑道、焊缝存在裂纹、磨损、错位变形；②侧机架“四轮”安装基孔磨损，结构钢板、挡圈磨损，筋板变形、磨损；③与车体装配贴合面机加面破坏受损、变形，严重超出原始设计尺寸公差范围；④润滑、气路管路附件装置存在断丝、变形、损坏。

4 性能提升方案

4.1 侧机架结构件修理解决方案

借助OEM 厂家通过侧机架整体检修，对侧机架来了整体校正处理，找回基准满足行走部件的安装配合尺寸，具体实施方案如下。

1）原OEM 厂家通过参照制造标准对侧机架结构件进行整体检查评估。对现场临时修复的超标不合格处进行恢复修理，特别是“四轮”的安装基孔的尺寸恢复。

2）整体结构尺寸按照原始制造设计图纸，使用三维坐标仪进行测量检查，对比原始设计制造尺寸，记录偏差结果，对超出公差的部分，制定恢复设计制造尺寸修复工艺方案。

3）针对“四轮”结构的恢复，涉及支重轮、后惰轮、挡圈的变形测量、部件钢板母材的更换、焊接的质量和变形控制、安装基孔的同心度、同轴度、安装配合面的机加都严格控制在制造图纸要求范围内，保证能够满足部件的安装精度要求。

4）挖补、更换的部件钢板，焊补的焊材全部使用符合原厂制造用的材料要求。

5）根据原始设计制造检验标准，出具检验合格报告。

4.2 支重轮性能提升解决方案

支重轮内嵌2 个铜套，支重轮的两侧装配有止推垫圈，侧机架垫片是在侧机架内侧焊接固定，起到调节支重轮与侧机架内侧之间的间隙，减少支重轮的轴向位移。支重轮轴窜过侧机架的内外两侧，挡圈和挡销以及开口销都是起到了固定支重轮轴不发生转动位移，进而保证了支重轮的润滑油脂沿着轴的内孔进入支重轮的内部支重轮铜套延长备件的整体寿命。

现场使用中发现，止推垫圈采用铜质材料起到保护支重轮和侧机架内侧的作用，该备件供货厂家的产品质量良莠不齐，也就导致止推垫圈早于支重轮铜套磨损过限，导致支重轮发生了轴向位移也就加速支重轮和支重轮铜套的磨损。

因此，提出了对现有4100XPC 电铲的支重轮结构进行技术改造的方案，将图1 中的止推垫圈和支重轮铜套做成1 个整体，即加厚了止推垫圈为支重轮提供更好的保护，支重轮铜套的延长增加了支重轮和轴之间的接触面积，减少侧机架轨道的磨损，提高支重轮轴保持力，并提高衬套和止推垫圈的寿命。止推垫厚度增加90%，止推垫接触面积达到原来的110%，连续铜套设计将支重轮轴受力面积增加20%，一体化润滑油槽增加支重轮铜套的使用寿命。

4.3 行走系统润滑系统升级

4100XPC 行走系统共有润滑点22 个，其中支重轮16 个润滑点，后惰轮2 个润滑点，导向轮2 个润滑点，驱动轮4 个润滑点，为了保障润滑效果，一般设置润滑压力值为15.51 MPa，而采用林肯注油器作为润滑系统的主要润滑元件，林肯为单线润滑，控制原理靠注油器内的弹簧控制每个润滑点的油量，注油器刚投入使用的一段时间，弹簧的弹力确实能够满足润滑点的油量，而随着电铲的日益使用不断压缩，导致林肯注油器的后来润滑油量不足，不能真正保证电铲行走系统的油量，导致行走系统中支重轮的磨损加速，使用寿命的缩短[8]。

为此，提出对润滑系统的改造，将单线润滑注油器改为双线润滑系统，靠油脂自身的压力推动活塞活动，而活塞的2 个方向都会挤压出同等润滑量的润滑脂，使得设置值为15.51 MPa 的油量始终是一样的，每次活塞换向都会挤压出等同量的润滑脂，这样就能恒定地保证润滑效果，进而能够稳定地保证支重轮的润滑提升支重轮的使用寿命。

5 结语

通过对现有4100XPC 电铲行走系统的使用跟踪，发现行走系统故障率明显偏高，高于同一矿区的其他型号的电铲，而支重轮总成使用寿命低于预期寿命，那么多次的维修行走部件导致电铲侧机架的基准丢失，现场维修作业恶性循环，基准丢失支重轮更换频繁，支重轮更换频发基准的丢失更加严重。为此只能寻求行走系统性能提升的技改方案，恢复侧机架的基准搭建好基础，改进支重轮的装配方式从结构上延长支重轮的使用寿命，改变系统的润滑系统更好地保证支重轮的使用。