葉建根

（中國葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

液壓挖掘機(jī)是一個(gè)被廣泛使用的土方施工機(jī)械，被廣泛使用在道路工程、施工作業(yè)、礦山、水利建設(shè)和農(nóng)田生產(chǎn)，以此降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，在大型工程建設(shè)及保證工程質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大的作用。

土方工程在各種類型的工程建設(shè)中占了很大的比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，施工建設(shè)中由挖掘機(jī)完成的土方工程比例大約占60 %左右。由于液壓挖掘機(jī)具有多功能、多品種、高效率、高品質(zhì)等特點(diǎn)，受到了大量施工作業(yè)單位的青睞。因此，液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)制造業(yè)日益蓬勃發(fā)展。

根據(jù)歷史的經(jīng)驗(yàn)，挖掘機(jī)的發(fā)展大部分是基于其液壓技術(shù)的改進(jìn)，因此，挖掘機(jī)和液壓傳動(dòng)的發(fā)展是緊密相連的。挖掘機(jī)通過高難度動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)完成工作任務(wù)，其所需的條件是極其復(fù)雜的，所以，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求很高，也是最繁雜的。挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析對(duì)促進(jìn)挖掘機(jī)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。

我國很晚才開始挖掘機(jī)的生產(chǎn)和設(shè)計(jì), 自從1954年撫順挖掘機(jī)機(jī)廠制造出第一臺(tái)機(jī)械式單斗挖掘機(jī)到今天，已經(jīng)達(dá)到了20 世紀(jì)80年代的國際水平，部分產(chǎn)品甚至達(dá)到了90年達(dá)的水平。相比于我國落后的挖掘機(jī)生產(chǎn)，國外挖掘機(jī)制造商很早便將液壓技術(shù)與其他的技術(shù)相結(jié)合，不但使產(chǎn)品質(zhì)量和壽命大幅度提高，操縱更加舒適，產(chǎn)品的適應(yīng)性能提高，產(chǎn)品更加節(jié)能、環(huán)保，獲得最佳的燃油消耗和更高的生產(chǎn)效率。韓國大宇重工、神鋼、日本小松、日立建機(jī)、英國的ICB、德國的利勃海爾等公司應(yīng)用了很多先進(jìn)的技術(shù)，代表了當(dāng)代液壓挖掘機(jī)的最高水平。

1 國外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

液壓傳動(dòng)技術(shù)開始應(yīng)用在挖掘機(jī)上可以追溯到20 世紀(jì)60年代，目前，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到非常成熟的階段。

最近，由于液壓挖掘機(jī)使用范圍的擴(kuò)大和產(chǎn)量的提高，很多世界上著名的挖掘機(jī)生產(chǎn)商不斷利用液壓系統(tǒng)的多種高新技術(shù)來提高其產(chǎn)品在國際上的競爭力。

這些高新技術(shù)主要表現(xiàn)在六個(gè)方面：液壓系統(tǒng)向大型化和小型化兩極發(fā)展；高壓化和高可靠性發(fā)展趨勢(shì)日益顯著；系統(tǒng)的高操縱特性日趨重要；液壓系統(tǒng)從開式系統(tǒng)向閉式系統(tǒng)發(fā)展；液壓系統(tǒng)與電子精密控制的結(jié)合成為很重要的發(fā)展方向；節(jié)能環(huán)保技術(shù)成為研究的趨勢(shì)。

1.1 向大型化和小型化發(fā)展

隨著工程項(xiàng)目和科技發(fā)展的要求越來越高，挖掘機(jī)及其液壓系統(tǒng)向小型化和大型化的兩極發(fā)展成為必然。

挖掘機(jī)的施工重量最大的幾百噸最小的幾百公斤，二者相差近1 000 倍，和其他工程機(jī)械相比，挖掘機(jī)向兩極分化的差別是最大的。在施工作業(yè)當(dāng)中，為了提高生產(chǎn)率大型工地和大型礦區(qū)需配備超大型機(jī)械，園藝作業(yè)（私人小園林）需配備微型機(jī)械[1]。

表格1 為目前世界上最大級(jí)和最小級(jí)挖掘機(jī)的對(duì)比。使用重量超過100 噸的為超大型機(jī)械，使用重量低于6 噸的為微型挖掘機(jī)，二者約占挖掘機(jī)總量的40%。

表1 世界上最小級(jí)和最大級(jí)挖掘機(jī)的對(duì)比

1.2 提高負(fù)載和可靠性

（1）提高負(fù)載

提高挖掘機(jī)的負(fù)載能力最直接的方法是提高液壓系統(tǒng)的流量、工作壓力和功率。

當(dāng)今世界上先進(jìn)的挖掘機(jī)產(chǎn)品的額定壓力大部分超過30 MPa，同時(shí)隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，液壓技術(shù)有朝著更高壓力甚至采用超高壓力的方向發(fā)展的趨勢(shì)，功率超過幾百千瓦，流量一般在每分鐘幾百升。

如目前世界上首臺(tái)最大的RH400 型全液壓挖掘機(jī)是德國的Orensttein＆Koppe 制造的，鏟斗容量42 m3，液壓油源為18 臺(tái)變量軸向柱塞泵，總流量達(dá)到10 200 L／min，原動(dòng)機(jī)為2 臺(tái)QSK60 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，總功率達(dá)到了2 014 kW[2]。

（2）提高可靠性

挖掘機(jī)系統(tǒng)的可靠性越來越受到研究和開發(fā)人員的重視。因?yàn)橐簤和诰驒C(jī)的工作環(huán)境經(jīng)常是很惡劣的，各個(gè)功能組件在惡劣的環(huán)境下能否持續(xù)正常的工作就受到了工程使用和維護(hù)人員的格外重視。

美、英、德等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論的方法，并將斷裂力學(xué)、疲勞損傷累積理論、疲勞強(qiáng)度分析方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元法、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)可靠性的研究方面，不斷提高設(shè)備的可靠性[3]。日本提出了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定流程并開發(fā)了可靠性信息處理系統(tǒng)；美國提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，使液壓挖掘機(jī)的使用壽命達(dá)到l 萬小時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)率超過85%~95%。

總線技術(shù)在挖掘機(jī)上逐漸得到了推廣應(yīng)用，其對(duì)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。但是，常用的監(jiān)控系統(tǒng)，只是針對(duì)挖掘機(jī)的一些狀態(tài)信號(hào)的變化而做出反應(yīng)，如何更進(jìn)一步在進(jìn)行故障診斷的同時(shí)利用這些狀態(tài)信息，從而提高系統(tǒng)的可靠性，確實(shí)是挖掘機(jī)研究中的難點(diǎn)。

高性能的故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)是先進(jìn)的挖掘機(jī)不可缺少的重要組成部分，對(duì)保證設(shè)備可靠性有重要的影響。從國內(nèi)外對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷的研究來看，故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

一是，理論性很弱。以往的研究工作往往局限于某一類型的挖掘機(jī)或者某一類型的故障模式，通過簡單的分析就給出了故障診斷結(jié)果，極大限制了故障診斷應(yīng)用的范圍。

二是，在線的故障診斷為故障診斷的理論性研究奠定良好的基礎(chǔ)。總線測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)。能夠?qū)崟r(shí)采集故障信號(hào)，從而有可能實(shí)現(xiàn)在線故障診斷。

三是，實(shí)用性原則很強(qiáng)，在實(shí)際的使用中針對(duì)具體的故障問題進(jìn)行具體分析能夠起到很好的效果。

綜上所述，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的故障診斷研究需要從理論上進(jìn)一步提高故障診斷的研究水平，仍然具有較大的研究空間和價(jià)值。

1.3 操縱特性的提高

世界上的研究開發(fā)和工程施工人員越來越重視挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的操縱特性。

目前，國際上迅速發(fā)展的全液壓挖掘機(jī)，通過不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡單的杠桿操縱發(fā)展到氣壓操縱、液壓操縱、電子計(jì)算機(jī)綜合程序操縱、無線電遙控操縱、液壓伺服操作和電氣控制。

由于各種高新技術(shù)的應(yīng)用，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的操縱特性得以迅速提高[1]。

1.4 閉式液壓系統(tǒng)

長期以來，開式液壓系統(tǒng)無法滿足挖掘機(jī)的調(diào)速和復(fù)合動(dòng)作的要求，所以近年來在國外的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負(fù)載敏感系統(tǒng)(CLSS)。

閉式液壓系統(tǒng)可以采用一個(gè)油泵同時(shí)向全部液壓元件供油，每一個(gè)液壓元件的運(yùn)動(dòng)速度與負(fù)載壓力無關(guān)，只與操縱閥的閥桿行程有關(guān)，泵的流量按需提供，因此閉式液壓系統(tǒng)體現(xiàn)出操縱性好的特點(diǎn)。

1.5 電子—液壓集成控制

電子控制技術(shù)與液壓控制技術(shù)相結(jié)合的電子一液壓集成控制技術(shù)近年來獲得了很大發(fā)展，開發(fā)出大量的新型電液自動(dòng)控制系統(tǒng)，大大提高了挖掘機(jī)的自動(dòng)化程度。

當(dāng)今國外先進(jìn)品牌的挖掘機(jī)在電液控制方面已經(jīng)成熟。全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)在美國林肯～貝爾特公司的新C 系列LS-5800 型液壓挖掘機(jī)上安裝并服役。它通過自動(dòng)調(diào)節(jié)流量避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)；FJ系列五中新型號(hào)挖掘機(jī)（日本住友公司生產(chǎn)）配有與液壓回路連接的輔助功率控制系統(tǒng)，利用精密控制模式選擇系統(tǒng)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，同時(shí)大大延長了零部件的服役壽命。

1.6 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

從用戶的角度來看，在工程機(jī)械上采用節(jié)能環(huán)保的技術(shù)最大的意義在于能夠降低使用成本。

資料顯示，工程機(jī)械將近40%的能耗來自液壓系統(tǒng)，15%左右的能耗來自發(fā)動(dòng)機(jī)。節(jié)能技術(shù)可以減少液壓系統(tǒng)功率損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的利用率，使負(fù)載所需功率與動(dòng)力系統(tǒng)更好地匹配，提高設(shè)備在使用中的可靠性。

目前液壓挖掘機(jī)上典型的節(jié)能技術(shù)基本上有兩種，即負(fù)載敏感技術(shù)和負(fù)流量控制技術(shù)，目前液壓挖掘機(jī)都選用其中一種控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求[4]。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

我國挖掘機(jī)行業(yè)的整體發(fā)展較國外慢，尤其是液壓系統(tǒng)方面的理論落后較多。

國內(nèi)挖掘機(jī)企業(yè)由于采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)產(chǎn)品在品質(zhì)、性能、可靠性、作業(yè)效率等方面均較差，因此采用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)在市場上完全喪失了競爭力，而采用各種高新技術(shù)的國外挖掘機(jī)產(chǎn)品獲得了用戶的青睞[4]。

由于國際一流的挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)壟斷了先進(jìn)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)，國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的研究幾乎空白，因此國內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家無法獨(dú)立制造出性能優(yōu)良的挖掘機(jī)設(shè)備，國外各種品牌的挖掘機(jī)占據(jù)了大部分的市場份額。

以20 T 級(jí)的液壓挖掘機(jī)為例，國產(chǎn)20t 級(jí)挖掘機(jī)是歐洲80年代初的技術(shù)水平，同90年代初以來在國內(nèi)廣泛使用的日立、神鋼、日本小松以及韓國大字、現(xiàn)代等機(jī)型相比，主要差距是液壓系統(tǒng)流量偏小，柴油機(jī)功率偏低，液壓系統(tǒng)特性差，從而行走速度低，平臺(tái)回轉(zhuǎn)速度低，各種性能參數(shù)均偏小，作業(yè)效率和整機(jī)性能較國外偏低[5]。

3 結(jié)束語

液壓挖掘機(jī)需要大幅度的技術(shù)進(jìn)步來適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓挖掘機(jī)行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)就是技術(shù)創(chuàng)新。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，挖掘機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的分析和研究都有十分重要的實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

閉式系統(tǒng)、節(jié)能環(huán)保、高負(fù)載、高可靠性、良好的操縱特性和電液集成控制是目前乃至未來的重要研究方向。

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[2]Choi J, Kim H, Yu S, et al. Development of integrated controller for a compound hybrid excavator[J]. JOURNAL OF MECHANICALSCIENCE ANDTECHNOLOGY，2011，25(6):1557-1563.

[3]黃宗益，葉 偉，李興華.液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述[J].建筑機(jī)械化，2003，24(9):12-16.

[4]劉建民. 液壓挖掘機(jī)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2001，14(12):26-28.

[5]張 鐵.液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)、原理及使用[M].北京：石油大學(xué)出版社，2002.