轮式挖掘机的技术现状与发展趋势

轮式挖掘机是以轮胎作为行走部件的挖掘机械,简称轮挖。轮挖行走速度快,不损坏路面,能远距离自行转场及可快速更换多种作业装置。国外轮挖的最高行走速度大多为25～40 km /h,国产的大多为20～35 km /h,贵州詹阳动力生产的高速轮挖JYL200G行走速度甚至达到了51 km /h[ ,而履挖的行走速度仅为3～5 km /h。同等级轮挖与履挖对比见表1,虽然轮挖工作效率不如同等级的履挖,但与履挖昂贵的转移费相比,频繁转场时轮挖更具经济优势。正是以其机动、灵活、高效的鲜明特点,轮挖在市政维护工程、公路交通建设及快速抢修等物料挖掘、搬移方面得到了广泛应用。

       据统计,在西方发达国家轮挖需求量约占挖掘机需求总量的12%强,有的甚至达到70～80% ,应用十分广泛。而我国的轮挖仅为3%左右,故从世界范围看,轮挖在我国的应用有待挖掘。可以说,在未来几年继续扩大内需,扩大基础建设发展战略,城市及小城镇建设发展战略的大环境决定了我国轮挖市场的广阔前景。

       国外轮挖生产企业较多且品种齐全,如日立、小松、利勃海尔、卡特彼勒、沃尔沃、JCB、现代等。这些公司的产品基本体现了当今世界轮式挖掘机技术发展的最高水平,且很多著名公司都拥有其专有关键技术及元器件。而国产轮挖在品牌、品种上可选择性都较少,这与国外“百家争鸣”的现象形成鲜明对比。近年来,虽然国产轮挖在产量、品种和技术水平等方面都有了一定的发展,比如詹阳动力重工开发生产的高速轮挖填补了国产空白、实现了行驶速度的重大突破甚

至比国外同类机型还要略高一筹,但发展规模仍然很小,技术性能和工作可靠性还不能满足国内市场的需要,严重缺乏关键技术。总之国产轮挖与国外的相比相差较远,其发展任重而道远。

国外轮挖技术现状

        国外生产轮挖的企业较多且产品系列齐全。国外轮挖主要企业和产品见表2,这些公司的产品基本体现了当今世界轮挖技术发展的最高水平,其中很多公司有其自主知识产权的关键技术和元器件。

       国外轮挖的技术特点主要有以下几点:

       (1)液压系统多采用负荷传感系统或负控制系统。如日本小松带有载荷感应和压力补偿阀的闭心式液压系统(CLSS) ,德国力士乐公司推出的与负荷无关的流量分配系统(LUDV) ,德国林德推出的负荷传感同步控制系统(LSC)等结构原理与功能基本相同的液压系统,得到较好的应用。

       卡特彼勒、利勃海尔、沃尔沃、斗山、JCB 等公司也采用了负荷传感系统。负荷传感系统在液压挖掘机上的优点是显而易见的,能实现对不同负载压力的多个执行元件同时进行快速和精确的控制,各个执行元件互不干涉[ 5 ]。而负控制技术具有稳定性好、响应快、可靠性和维修性好等特点,但在起始点为重负荷下作业时,因流量与负载有关,所以可控制性较差。由于成熟的制造技术和低廉的价格将会使负控制系统继续发挥作用,尤其在发展中国家还将继续存在。

       (2)国外品牌轮挖多采用自主研发的电子节能及微机控制技术。JCB公司的AMS控制系统兼顾操作简便与实现各种工况下的最高效率,系统设计有几种功率模式,能按操纵手柄的运动和使用要求自动感知液压要求并作出反应,使发动机功率与液压功率匹配,并按需要激活动力提升和发动机自动怠速功能。韩国斗山的独创新一代电子功率优化系统( e - EPOS) ,为了操作简便,工作模式仅设计为两档挖掘档和挖沟档 ;德国利勃海尔轮挖采用全部电子控制, LSC电子极限载荷调节专有技术具有压力补偿、流量补偿功能,增强功率档、高功率档、经济档、精细档、超精密控制开关等多种工作模式选择; LCD显示、声光报警、传感器控制发动机空载怠速。这些控制系统基本具备了多种功率(工作)模式选择、瞬时增力功能、发动机自动怠速、发动机工作自动预热及过热保护、实时电子监控和自诊断功能,从而提高挖掘机的生产效率,降低油耗,改善司机作业环境,提高机器的自动化程度。

        (3)安全、舒适、可靠的驾驶室。采用带有坠物保护结( FOPS)和倾翻保护结构(ROPS)的驾驶室,安装可调节的弹性座椅, 用隔音措施降低噪声干扰。如迈克拉克采用了ROPS和FOPS的驾驶室、沃尔沃采用了独创自带RPOS的

Care Cab驾驶室。驾驶室将逐步实施ROPS和FOPS设计方法,配装冷暖空调。全密封及降噪处理的“安全环保型”驾驶室,采用人机工程学设计的司机座椅可全方位调节,以及功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置及电子监控与故障自诊断系统,以改善司机的工作环境,提高作业效率。

       (4)节能与环保。为提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求,国外轮挖企业主要从降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。国外工程机械柴油机的发展已经达到全电子控制的程度,采用直喷技术,对柴油的喷射量和喷射时间进行控制,取消了传统的机械式调速器和定时齿轮,简化了柴油机结构。目前世界上卡特和小松等厂家都开发了这种电子控制柴油机,它们的特性曲线可以由软件来决定,对于不同的作业工况采用不同的特性,使柴油机的经济性、排放和动力性都达到最优。日立建机推出的ZX130W型轮式挖掘机配置了符合欧Ⅱ和TierⅡ排放标准的发动机,采用超低噪声型消音器并采用其他措施,降低了发动机的噪声。

       (5)多功能化。轮挖愈来愈倾向于多功能化,除了挖掘和起重功能,还有液压锤、钳、剪、夯,钻孔器,铣刨头等,可根据工况更换不同的工作装置。使用这些配套装置可以降低成本,可以减少人工劳动,提高生产率。与此相适应的是挖掘机上配置了快速更换系统,新型的更换系统能够在正常液压系统的压力下自动快速更换各种装置,司机无须离开司机室。如利勃海尔的组合快装系统(Likufix2System) ,该系统包括一套组合液压快装装置和一个自动转换耦合装置,利用该装置操作员可以在几秒钟之内完成工装机械和液压部分的转换 ;迈克拉克用于远程自动换接的自锁式夹钳快换装置。

       由以上几点可以看出国外企业在发动机燃料燃烧与电控、液压控制系统、自动操纵、驾驶室条件改善、故障诊断与监控、节能与环保等方面,进行了大量的研究,开发出许多新结构和新产品,提高了轮挖的高科技含量,促进了轮挖的发

展。

国内轮挖技术现状

        国产轮挖主要有两大类,一种是360°回转的轮挖,采用专用底盘;另一类是只能有180°转角的经济适用型轮挖,多是在农用小型拖拉机上改装而成。目前国产360°回转轮挖的主要企业及其产品见表3( a) ,这些公司的产品基本体现了国内轮挖技术的最高发展水平,如贵州詹阳动力重工开发出行走系统采用本厂配套件、独特的三节折叠臂工作装置的高速轮挖,山河智能的130W型轮挖等。

       国产零部件企业在工作油缸、回转支承、驾驶室、座椅、电气仪表等方面已经取得了技术突破,基本可以替代进口产品,但是在工艺性和可靠性上还有待加强。

        而发动机、电控系统和液压系统中泵、阀、马达等关键技术,基本掌握在日本、德国等发达国家手中,所以国产轮挖的关键技术及元器件还需要依赖进口。国产柴油机的综合性能指标还无法满足需要,因此国产轮挖多采用康明斯、洋马、道依茨、五十铃、珀金斯等国外品牌;在液压系统及元件方面,由于国内企业基本上还不具备生产各种具有节能效果的多路阀和液压泵的能力,所以液压系统一般来自国外企业,主要有德国Rexroth、德国L inde、日本NACH I和KYB、意大利Comer等企业,行走马达、泵、回转马达多来自德国、韩国、日本等,驱动桥多数来自德国ZF桥或意大利DANA桥。例如:(1)山河智能的轮挖130W采用康明斯水冷柴油机, Rexroth的LUDV闭心系统[ 13 ] ; ( 2 ) 徐州徐挖的XCG140W28 采用ISUZU柴油机, Rexroth的LUDV,采用意大利DANA公司轮挖专用桥。

       另一类是只能有180°转角的经济适用型轮挖,是在农用四轮拖拉机的基础上增加挖掘工作装置改制而成,其技术含量低、性能不稳定、可靠性差。国产生产经济适用型轮挖的主要企业和产品型号,见表3 ( b) 。

国内外轮挖差距和发展方向

国内外轮挖差距

       纵观国内轮挖,尽管设计制造有了长足进步,但由于设计手段落后、开发制造投入严重不足等因素制约,同国外产品相比,在高可靠性、安全舒适性、外观造型尤其电子节能及微机控制技术方面尚存在明显差距。

       以下几点是影响国产轮挖质量和市场竞争力的重要因素 :

       (1)操作的平稳性和可靠性较差,作业效率不高,产品质量不高,外观粗糙。在耐久性及可靠性上与国外先进挖掘机水平相比差距较大,国产挖掘机平均无故障时间及第一个大修期仅为国外先进产品的一半;

       (2)国产轮挖的发动机以及液压系统、电控系统中的关键部件基本依赖进口,生产成本高,制约了国产轮挖的竞争力;在智能化、电子控制、自动监测、机电液一体化等方面还不能满足国内市场的需要;

       (3)可选轮挖品牌少,品种单一,缺少中型、微型产品,特别是接近20吨级的中型轮挖;

       (4)挖掘机的整体结构、管路布局、配件选择和发动机排放标准等方面存在不足,新产品试验周期短,以致一些整机质量隐患时有发生,满足不了用户要求。

轮挖的发展方向

       自90年代以来,挖掘机液压系统和电子技术得到空前的发展,提高整机生产率和经济性能。毋庸置疑,挖掘机始终朝着高效、节能、提高舒适性和环保适应性的方向发展。

       (1)电液比例控制智能化电液比例控制在20世纪80年代就开始应用于工程机

械,不但可以省去复杂、庞大的液压信号传递管路,而且使整个挖掘机动力系统控制更加灵活、方便。进入90年代后,随着计算机技术的发展,电液比例控制进一步“智能化”,主要体现在以下几个方面:首先,某些液压元件的设定参数将不再固定,可以调整,如压力切断值、泵转矩、负荷传感阀上的压力补偿器设定压差等;其次,计算机能够自动监测液压系统和柴油机的运行参数,如压力、柴油机转速等,并能根据这些参数自动调整液压系统运行参数,如发动机转速及泵输出流量、转矩等,控制整个挖掘机动力系统运行在高效节能状态;第三,能够完成一般半自动操作,如平地、斜坡的修整等,对驾驶员的熟练程度要求低,但工作质量却能够得到大幅度

提高;第四,能够根据监测到的运行参数进行故障诊断,便于挖掘机的维护。这些功能的出现,能显著提高挖掘机的性能。

       (2)柴油机电喷控制

       在传统的机械调速柴油机上,喷油泵的循环供油量、喷油提前角等都受到转速影响,使柴油机性能难以进一步提高。在柴油机上应用电喷控制后,可以使泵的循环供油量和喷油提前角不再受转速的影响,从而使挖掘机能够一直工作在最佳状态,而且加快了响应速度。借助计算机控制技术,泵与发动机的匹配控制将进一步实现“智能化”,两者之间的结合将更密切,实现一体化控制。在这种控制中,控制器能根据工作状况的变化,自动对液压泵和发动机进行调整,在保证输出功率满足工作需要的同时,使燃油消耗量最低,提高挖掘机的节能性和环保性。

       (3)负荷传感技术继续发展

        负荷传感控制从20世纪70年代开始兴起,各工程机械液压件生产厂商纷纷推出了一系列有关产品。这种系统具有良好的节能性和操纵性,即使不熟练的司机也能很快适应。比例流量分配阀的出现进一步推动了负荷传感技术在挖掘机上的应用,使挖掘机操纵性进一步提高,解决了西方国家由于熟练司机的缺乏而带来的问题。因此,负荷传感控制挖掘机在发达国家的需求将会进一步上升。

       (4)向混合动力方向发展

       近年来混合动力液压挖掘机受到工程机械领域的广泛关注。目前国外一些挖掘机企业,如日本的小松、神户制钢、住友和日立建机,德国的利勃海尔,美国的卡特彼勒,都已经开展了混合动力液压挖掘机的研究工作,同时能量回收也受到了业界的广泛关注,成为下一代液压挖掘机的一个重要研究方向。

       (5) 提高行走速度和安全舒适性,实现多用途化

       随着液压高压化及液压元件等技术的发展,轮挖的行走速度将会再上一个新的高度,以提高轮挖的移动性。目前国外轮挖最高行走速度已经达到40 km /h,国内詹阳动力生产的高速轮挖速度甚至达到51 km /h。驾驶室逐步采用ROPS和FOPS,降低发动机等的噪声和振动,为操作人员营造一个更安全舒适的工作环境。使用不同的工作装置,实现一机多用,提高生产率。

       鉴于我国的科学技术水平不能与国外相提并论,所以必须在产品质量、产品开发、产品创新上下大功夫才能与国外大型公司竞争,特别是对柴油机、液压系统、电控系统等关键技术的研究开发。同时采用在中大型挖掘机上使用的先进

技术,如负荷传感系统,提高整机的技术性能、作业效率和操作的平稳性;以全球采购的方式,选购性价比更高的液压和电气元器件,减少初期故障,提高整机的无故障作业时间和可靠性。开发微型机,以满足开沟、挖渠、埋线缆等窄小作业的需要;发展适应煤炭、水利、农田、城建各方面需要的新品种小型轮挖。开发和配备多种附属工作装置,如挖掘斗、装载斗、推土板、清沟斗、液压锤、钻孔机构等。提高拖拉机改装的小型轮挖的无故障作业时间、可靠性、可维修性和零部件的通用性,减少泄漏,降低售价,完善售后服务。

      由于国内挖掘机技术与国际水平相差较远,尽管能引进一些关键技术,但核心技术不是钱能买来的,能买来的都是二流甚至是国外已淘汰的。因此国内企业在产品开发时,应着眼于长远利益,积极投资研究液压控制系统及元件、电子节能及微机控制、远距离操纵系统等关键技术,开发拥有自主知识产权的智能化控制系统等,并将这些技术产业化,应用于轮挖产品的升级换代,生产出具有竞争力的强势品牌和系列化产品。