【正文】 前 言 隨著社會建設的不斷發(fā)展和需要，輪式液壓挖掘機在國土建設、大自然改造事業(yè)、許多大型基礎工程的建設中得到廣泛應用，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質(zhì)量，加快建設速度以及提高勞動生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用，稱為一種萬能機械。一臺 1m3 輪式液壓挖掘機挖掘 I～ IV級土壤時，每班生產(chǎn)率大約相當于 300～ 400 工人一天的勞動生產(chǎn)率。由于輪式液壓挖掘機具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞 。輪式液壓挖掘機的生產(chǎn)制造業(yè)也日益蓬勃發(fā)展。 工作裝置是輪式液壓挖掘機主要組成部分之一，是直接完成挖掘任務的裝置。工作裝置的作業(yè)由三個油缸的復合動作和土壤的相互作用來實現(xiàn)，不借助計算機技術(shù)無可實現(xiàn)輪式液壓挖掘機工作裝置設計及其性能分析。因此，基于計算機全面仿真的輪式液壓挖掘機工作裝置設計方法的研究成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)。 挖掘機與液壓傳動緊密地聯(lián)系在一起，其發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應用為基礎。由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復雜，于是它對液壓系統(tǒng)的設計提出了很高的要求，其液壓系統(tǒng)也是工 程機械液壓系統(tǒng)中最為復雜的。因此，對挖掘機液壓系統(tǒng)的分析研究也己經(jīng)成為推動挖掘機發(fā)展中的重要一環(huán)。 林生龍：輪式挖掘機工作裝置及液壓系統(tǒng)設計 2 1 輪式挖掘機 輪式挖掘機工作裝置與液壓系統(tǒng)研究的必要性 挖掘機行業(yè)的發(fā)展歷史久遠，可以追溯到 1840 年。當時美國西部開發(fā)，進行鐵路建設，產(chǎn)生了模仿人體構(gòu)造，有大臂、小臂和手腕，能行走和扭腰類似機械手的挖掘機，它采用蒸汽機作為動力在軌道上行走。但是此后的很長時間挖掘機沒有得到很大的發(fā)展，應用范圍也只局限于礦山作業(yè)中。 導致挖掘機發(fā)展緩慢的主要原因是 :其作業(yè)裝置動作復雜，運動范圍大，需要采用多 自由度機構(gòu)，古老的機械傳動對它不太適合。而且當時的工程建設主要是國土開發(fā)，大規(guī)模的筑路和整修場地等，大多是大面積的水平作業(yè)，因此對挖掘機的應用相對較少，在一定程度上也限制了挖掘機的發(fā)展。 由于液壓技術(shù)的應用，二十世紀四十年代有了在拖拉機上配裝液壓反鏟的懸掛式挖掘機。隨著液壓傳動技術(shù)迅速發(fā)展成為一種成熟的傳動技術(shù)，挖掘機有了適合它的傳動裝置，為挖掘機的發(fā)展建立了強有力的技術(shù)支撐，是挖掘機技術(shù)上的一個飛躍。同時，工程建設和施工形式也發(fā)生了很大變化。在進行大規(guī)模國土開發(fā)的同時，也開始進行城市型土木施工，這 樣，具有較長的臂和桿，能裝上各種各樣的工作裝置，能行走、回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)多自由動作，可以切削高的垂直壁面，挖掘深的基坑和溝槽的挖掘機得到了廣泛應用。 1950 年在意大利北部生產(chǎn)了第一臺液壓挖掘機。當時液壓挖掘機主要配置 反鏟工作裝置。在早年，許多液壓挖掘機都配組合動臂。這種組合動臂可以調(diào)節(jié)動臂的長度，現(xiàn)在大多數(shù)液壓挖掘機都采用整體動臂。優(yōu)點是重量輕，制造方便，成本低。從 20世紀 60 年代到 80 年代中期，液壓挖掘機進入了推廣和蓬勃發(fā)展的階段，各國挖掘機制造廠和品種增加很快，產(chǎn)量猛增。 1968～ 1970 年間，液 壓挖掘機產(chǎn)量已經(jīng)達到挖掘機總產(chǎn)量的 83%, 90 年代初工作裝置的結(jié)構(gòu)有所改進。大多數(shù)制造廠家借助計算機技術(shù)設計制造更輕便的動臂和斗桿，而不削弱其強度，其時對挖掘機工作裝置的研究也已經(jīng)十分成熟。 自第一臺手動挖掘機誕生以來的 160 多年當中，挖掘機一直在不斷地飛躍發(fā)展，其技術(shù)己經(jīng)發(fā)展到相對成熟穩(wěn)定的階段。經(jīng)過幾十年的研究，被成為土建機械手，成為建設機器人的代表，據(jù)有關(guān)專家估算，全世界各種施工作業(yè)場約有 65%至 70%的土石方工程都是 由挖掘機完成的。挖掘機是一種萬能型工程機械，目前已經(jīng)無可爭議地成為工程機械 的第一主力機種，在世界工程機械市場上己占據(jù)首位并且仍在發(fā)展擴大。挖掘機工作裝置設計參數(shù)直接影響作業(yè)范圍、功率利用、挖掘力發(fā)揮等。該參數(shù)的設計與挖掘機性能的好壞有關(guān)。 目前商品化的液壓挖掘機工作裝置設計軟件還沒有，都采用各自開發(fā)的軟件。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術(shù)進步，技術(shù)創(chuàng)新是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。通過開發(fā)通用性及專業(yè)的液壓挖掘機工作裝置設計軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)工作裝置設計的自動化，提高挖掘機設計水平。因此，進行挖掘機工作裝置設計的自主研究非常必要。 挖掘機的發(fā)展主要以液壓技術(shù)的應用為基礎，其液壓系統(tǒng)已成為工程機械液壓系統(tǒng)的主流形式。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和建筑施工現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，液壓挖掘機需要大幅度的技術(shù)進步，技術(shù)創(chuàng)新是液壓挖掘機行業(yè)所面臨的新挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面，挖掘機產(chǎn)品的核心技術(shù)就是液壓系統(tǒng)設計，所以對其液壓系統(tǒng)的分析研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。 國內(nèi)外輪式挖掘機工作裝置的發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 最早在輪式挖掘機工作裝置設計時，設計人員通過類比、查表、理論計算初步確定性能參數(shù)以后，還需要花大量的時間對設計的合理性進行分析，計算量大，而且 在設計過程中，大都選取幾個特殊位置進行檢討計算，其精度當然較低。當今計算機廣泛應用于機械設計中，挖掘機工作裝置設計得到了很快發(fā)展。針對輪式挖掘機工作裝置的 CAD 軟件也已經(jīng)有了不少的研究。 從 20 世紀 50 年代開始生產(chǎn)第一臺輪式挖掘機至今，挖掘機工作裝置己經(jīng)發(fā)展到了相當成熟的階段。隨著輪式挖掘機產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的挖掘機生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù)，來提高自己挖掘機在國際上的競爭力。 近幾年來，國外輪式挖掘機產(chǎn)量急劇上升，結(jié)構(gòu)逐步完善，在工程建 設和施工行業(yè)中占有很重要的位置。輪式挖掘機迅速發(fā)展的根本原因，在于機械本身的優(yōu)越性 (重量輕、挖掘能力大、生產(chǎn)率高 )、通用性好、操縱輕便，也由于下述幾個因素 :(1)重視試驗研究工作，輪式挖掘機的研制除了保證機械技術(shù)性能以外，十分重視挖掘機的使用經(jīng)濟性和工作可靠林生龍：輪式挖掘機工作裝置及液壓系統(tǒng)設計 4 性，研制過程中，進行各種性能試驗和可靠性試驗，包括構(gòu)件強度試驗、系統(tǒng)試驗、操縱試驗、耐久性試驗等等，要過嚴格的科學試驗和用戶評價，才進行定型生產(chǎn) 。(2)重視電子計算機技術(shù)的引用，加快了新產(chǎn)品的發(fā)展速度，國外發(fā)展有總體、工作裝置、液壓系統(tǒng)等的設計程序，出現(xiàn) 了總體優(yōu)化設計方法和適合于計算機數(shù)據(jù)處理的數(shù)學模型描述液壓系統(tǒng)和元件特性的程序，這樣，就可以利用計算機在很短的時間內(nèi)進行總體設計，新產(chǎn)品從設計到批量生產(chǎn)的周期縮短到 2～ 3 年左右。 當前輪式挖掘機的研制和改進主要著眼于 :(1)發(fā)動機功率的充分有效利用，通過各種途徑使機械多做有效的功，其中包括動力裝置與液壓系統(tǒng)的最佳匹配，傳動效率的提高，回轉(zhuǎn)機構(gòu)功率的回收，高效液壓系統(tǒng)的研究等 。(2)鏟斗挖掘力的充分發(fā)揮，挖掘力大小和有效作用范圍是衡量各種液壓挖掘機工作能力的重要指標。 隨著建筑施工和資源開發(fā)規(guī) 模的擴大，對各種挖掘機需求量迅速增加，因而國際上輪式挖掘機工作裝置的生產(chǎn)向多功能化和專用化的方向發(fā)展。當輪式挖掘機配置不同的作業(yè)裝置時，可以用來吊、夾、推、刮、松、挖、裝、銑削、拆除、清除和壓實等作業(yè)，且大都采用快換裝置。駕駛員在駕駛室內(nèi)就可以完成作業(yè)裝置的更換，僅用 2 min時間，就完成了作業(yè)裝置的更換。工作裝置中，動臂、斗桿結(jié)構(gòu)變化多樣，也擴展了主機的使用功能，這一結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為動臂、斗桿長度的變化，由動臂、斗桿的兩元件變化為兩節(jié)動臂、斗桿的多元件和伸縮臂。 在 bauma2021 展會上的輪式挖掘 機中，傳統(tǒng)型和通用型產(chǎn)品樣機較少，多是一些有特殊構(gòu)造的、有特色的產(chǎn)品和多功能的產(chǎn)品，如挖掘機工作裝置的動臂、斗桿和鏟斗三元件構(gòu)成的通用型產(chǎn)品相對較少，由大臂、中臂、斗桿和快換作業(yè)裝置四元件構(gòu)成的產(chǎn)品很多，這既體現(xiàn)了各廠家市場差異化的產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略，也體現(xiàn)了各自的技術(shù)水平和實力。輪式挖掘機多用途工作裝置在展會上應有盡有，這些多用途作業(yè)裝置大大擴展了輪式挖掘機的功用，提高了產(chǎn)品的施工適用性。只有具有專業(yè)性的挖掘機設計軟件，才能設計出適應于各種各樣建筑施工的挖掘機工作裝置，也能夠滿足市場和用戶的要求。 隨著 計算機輔助設計技術(shù)的日益推廣，機械設計及制造技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。輪式挖掘機行業(yè)作為機械行業(yè)的一個重要分支，計算機輔助設計技術(shù)的推廣應用勢在必行。計算機輔助設計技術(shù)既能縮短產(chǎn)品的設計周期和制造周期，同時又能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，相應也就提高了機器整體質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。采用新結(jié)構(gòu)和新材料，利用現(xiàn)代設計技術(shù)和先進制造技術(shù)，仍是保證和提高輪式挖掘機性能的一個較重要的途徑。 國外許多有實力的生產(chǎn)廠商有了自己的軟件。在國外很多科研機構(gòu)和一些大型企業(yè)， 都已經(jīng)對挖掘機工作裝置的設計進行研究，并開發(fā)出了一些專業(yè) 軟件，美國卡特匹勒(Caterpillar)、德國利勃海爾 (Liebherr)、英國 JBC、日本神鋼 (KOBELCO)等公司將疲勞損傷累積理論、斷裂力學、有限元法、結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設計、電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗技術(shù)、疲勞強度分析方法等先進技術(shù)應用于輪式挖掘機的強度研究方面，促進了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效率和競爭力，但目前市場上可供選用的商品化的成熟的應用軟件卻還是很少。 早在 1958 年國內(nèi)便開始了輪式挖掘機的研制開發(fā)工作，隨后開發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。當時由于受配件如發(fā)動 機、液壓件及企業(yè)自身條件的影響，其質(zhì)量和產(chǎn)量遠未達到應有的水平，與國外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。 到了 80 年代末和 90 年代初，世界各工業(yè)發(fā)達國家輪式挖掘機技術(shù)水平得到了迅速的提高，突出表現(xiàn)在追求高效率 (同一機重的挖掘機功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大，作業(yè)循環(huán)時間減小，作業(yè)效率大大提高 )。高可靠性和追求司機操作的舒適性。 國內(nèi)原有的數(shù)家挖掘機專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實力和豐富的挖掘機生產(chǎn)經(jīng)驗，紛紛在工廠的技術(shù)改造、試驗研究、新產(chǎn)品開發(fā)方面下大功夫。有的新開發(fā)的產(chǎn)品 (也包括某些已生 產(chǎn)多年的老產(chǎn)品 )為了提高作業(yè)的可靠性，干脆采用了進口的液壓件和發(fā)動機，甚至于整個傳動系統(tǒng)都按照采用國外元件來設計，這種經(jīng)過改型或新設計開發(fā)的液壓挖掘機其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。這樣，引進和消化國外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長足的進步。 國內(nèi)輪式挖掘機行業(yè)近年來雖有很大發(fā)展，但與國外挖掘機行業(yè)發(fā)達國家相比仍存在許多不足，其原因除了國內(nèi)挖掘機加工水平落后之外，挖掘機設計水平與發(fā)達國家相比也有較大的差距，尤其是一些先進設計技術(shù)的掌握和應用。國內(nèi)眾多的研究人員和單位對輪式挖掘機工作裝置設計進行了不少研 究，開發(fā)了其設計軟件，他們的研究基本上局限于解決某些問題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運動參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關(guān)于工作裝置設計參數(shù)分析和在 CAD 上其自動設計的綜合研究文獻還沒有。因此，開發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于挖掘機工作裝置的一些通用問題的解決，對工程機械這個行業(yè)不具有通用性。特別是國內(nèi)， CAD 在許多企業(yè)還停留在輔助制圖的程度上，當然也有部分企業(yè)用 CAD 進行空間布置設計。雖然部分軟件也有一定的分析計算能力，但是遠遠不能達到設計需要，對輪式挖掘機進行分析的大型通用軟件目前市場上還很少。 林生龍：輪式挖掘機工作裝置及液壓系統(tǒng)設計 6 經(jīng)過近十年 的研究，獲得了一些成果，但是研究還不夠深入，有些研究結(jié)果己進入實際應用過程中。目前研究輪式挖掘機工作裝置設計的重點在于，為了使挖掘機設計人員從繁忙的計算中解脫出來，現(xiàn)有工作裝置機構(gòu)的計算機輔助計算和優(yōu)化設計，即大多數(shù)的輪式挖掘機工作裝置設計研究在現(xiàn)有機構(gòu)的基礎上局限地進行的。在這樣一種情況下，開發(fā)一個專業(yè)化的工作裝置的設計工具和軟件顯得非常必要。 國內(nèi)外輪式挖掘機液壓系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀 從 20 世紀 60 年代液壓傳動技術(shù)開始應用在挖掘機上至今，挖掘機液壓系統(tǒng) 已經(jīng)發(fā)展到了相當成熟的階段。近幾年來，隨著液壓挖掘機產(chǎn)量的提高和使用范圍的擴大，世界上著名的挖掘機生產(chǎn)商紛紛采用各種高新技術(shù)，來提高自己挖掘機在國際上的競爭力 :① 液壓系統(tǒng)逐漸從開式系統(tǒng)向閉式系統(tǒng)轉(zhuǎn)變 。② 系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為研究的重點 :③ 液壓系統(tǒng)的高壓化和高可靠性發(fā)展趨勢日益凸顯 。④ 很重視液壓系統(tǒng)的操縱特性提高 。⑤ 液壓系統(tǒng)與電子控制的結(jié)合成為潮流。 日本小松 (KAMATSU)公司 90 年代以前一直致力開發(fā)開式負載敏感系統(tǒng) ( OLSS )，用以降低液壓系統(tǒng)的損耗。開式液壓系統(tǒng)采 用三位六通閥，其特點是有兩條供油路，其中一條是直通供油路，另一條是并聯(lián)供油路。由于這種油路調(diào)速方式是進油節(jié)流調(diào)速和旁路節(jié)流調(diào)速同時起作用，其調(diào)速特性受負載壓力和油泵流量的影響，因此這種系統(tǒng)的操縱性能、調(diào)速性能和微調(diào)性能差。另外，當液壓作用元件一起復合動作時，相互干擾大，使得復合動作操縱非常困難。這是開式系統(tǒng)的大缺點。 由于挖掘機作業(yè)工程中要求對液壓元件能很好地控制其運動速度和進行微調(diào)，而且在其工作的許多工況下要求多個執(zhí)行元件完成復合動作，而長期以來使用的開式液壓系統(tǒng)無法滿足挖掘機的調(diào)速和復合動作的要 求。 近年來在國外的挖掘機液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了閉式負載敏感系統(tǒng) (CLSS)。它可以采用一個油泵同時向所有液壓作用元件供油，每一個液壓作用元件的運動速度只與操縱閥的閥桿行程有關(guān)，與負載壓力無關(guān)，泵的流量按需提供，而且多個液壓作用元件同時動作時相互之 間干擾小，因此操縱性好是閉式液壓系統(tǒng)的主要特點。 這種系統(tǒng)非常符合挖掘機操作的要求，它操縱簡單，對司機的操縱