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【康耐轴套】挖掘机工作装置载荷分析及控制载荷的方法

2019-02-18 11:01:35

1.载荷分类

挖掘机作业时,挖掘机配件的铲斗、斗杆、动臂及机架承受挖掘载荷、制动载荷、附加载荷(操作不当和违章操作载荷)。

(1)挖掘载荷

斗齿尖沿着弧线运动,对土壤进行剥离、剪切、挤压,其切线方向力为挖掘力F,其承受的阻力FZ与挖掘力F方向相反,挖掘力F与切削角和切削速度成正比,如图1所示。

康耐轴套发现这种挖掘载荷通过挖掘机配件的铲斗、斗杆、动臂传递至回转平台、回转支承至机架,只要进行挖掘作业就必然产生挖掘载荷,传递路线如图2所示。挖掘载荷会对工作装置销轴、轴套及回转支承造成磨损,并对斗杆、动臂及机架结构件的焊缝产生不同程度应力。

(2)制动载荷

挖掘机在每次作业循环中,铲斗离开地面上、下运动,由于挖掘机配件的铲斗、斗杆、动臂自身质量加上铲斗内土石方的质量,尤其是斗杆、动臂自上向下运动骤然停止时,必然产生较大惯性冲击载荷。该惯性冲击载荷施加到斗杆、动臂上,会形成较大惯性冲击力,称为制动载荷。显然,频繁的制动,尤其是部分驾驶员习惯于快停造成的紧急制动力,会对斗杆、动臂及整机相关部件造成很大冲击载荷。

(3)附加载荷

操作不当载荷挖掘机进行挖掘作业时,挖掘机配件的铲斗处于挖掘机下方沟槽内,驾驶员视线无法观察到。此时若铲斗初始位置不当,铲斗底板外侧顶在所挖掘的土体上,出现“压土”现象。驾驶员误认为挖掘遇到强大阻力FZ,仍加大油门甚至采用增压方式进行挖掘,就形成因操作不当产生的附加载荷,如图3所示。康耐轴套由此可见,操作不当的附加载荷造成的载荷远大于正常的挖掘载荷。

违章操作载荷若挖掘现场遇到较大的建筑构件或石头,无法将其铲装至运输车上,有些驾驶员会以快速下落动臂方式,用铲斗撞碎建筑构件或石头,如图4a所示。有些驾驶员拆除建筑物时,会先全收斗杆和全收铲斗,再以快速伸斗杆,用铲斗底部撞击墙体,如图4b所示。

操作不当的附加载荷及违章操作载荷均属于人为载荷,这2种载荷产生较大冲击力的同时,都会对铲斗、斗杆和动臂造成很大损害。

2。受力分析

(1)工作装置受力分析

我们对挖掘机配件的铲斗挖掘、斗杆挖掘、铲斗与斗杆复合挖掘、拆墙操作工况进行了受力分析。分析结果表明,无论进行单一动作还是复合动作,铲斗、斗杆、动臂均处于受力状态;各种载荷越大,受力越大,工作装置容易出现早期损坏、使用寿命缩短现象。

(2)液压缸受力分析

挖掘作业时,动作液压缸是实现挖掘的执行元件,而非动作液压缸也必须“锁死不动”与之配合,才能对土壤实现挖掘。

动作液压缸受力取决于挖掘阻力的大小,其形成液压力的上限通过系统主溢流阀控制,非动作液压缸无杆腔或有杆腔油液压力则是被动建立,与主溢流阀开启压力无关。挖掘机配件的动臂、斗杆在某种位置作业时,会使动作液压缸与非动作液压缸内的油液压力存在较大差异。由于挖掘机动臂、斗杆较长,非动作液压缸压力往往远大于动作液压缸油液压力,故该压力要通过安全阀泄压,以控制非动作液压缸油液压力持续升高,避免造成斗杆和动臂过早损坏。

3。载荷的危害

挖掘载荷、制动载荷、附加载荷均可对挖掘机结构件及液压缸造成损害。

(1)对结构件的损害

通常挖掘载荷属于疲劳破坏,对结构件损坏过程相对缓慢,而制动载荷对结构件损坏程度相对较大。挖掘机配件的铲斗、斗杆及动臂自身质量及铲斗内土石方质量在一定高度时具有较大势能,当工作装置在运动中操纵制动时会产生较大动能。该动能施加至工作装置上,由大至小依次为:动臂下落制动,铲斗装满土石且斗杆全伸或全收时制动。这2种制动载荷对工作装置的受力几乎与挖掘载荷相同,而铲斗或斗杆从上弯到下弯的载荷较小。

操作不当的附加载荷和违章操作载荷则是冲击破坏性受力,会造成挖掘机迅速损坏。违章操作通常只需1次或几次致命冲击,便会使动臂及斗杆受力薄弱部位产生微小裂纹。这种微小裂纹在以后挖掘作业时缓慢延伸,最终会造成结构件开裂。若经常进行违章操作,会使已产生的裂纹迅速扩展,很快就会造成结构件损坏,如动臂开裂等,康耐轴套如图5a所示。

(2)对液压缸的损害

违章操作载荷还可造成工作装置液压缸活塞杆紧固螺母处螺纹被拉伸延长(此处截面最小、抗拉强度较低),如图5b所示。当活塞杆被拉长后,在进行挖掘操作时,油液在活塞处从有杆腔窜至无杆腔,来自于有杆腔的油液直接通过无杆腔回到液压油箱,由此造成铲斗挖掘无动作或动作缓慢。

操作不当载荷和违章操作载荷在挖掘机配件的铲斗、斗杆、动臂快速运动时产生较大的冲击力,该冲击力不仅会对挖掘机结构件、液压缸造成直接破坏,还会造成重大安全事故。

4。控制载荷的方法

挖掘载荷及制动载荷可通过设置安全阀和单向补油阀加以控制。

(1)自动控制

减小挖掘机挖掘和制动载荷,康耐轴套可通过技术手段进行自动控制。图6所示为某型号挖掘机工作装置液压回路原理图,在挖掘机配件的铲斗缸、斗杆缸、动臂缸无杆腔或有杆腔至控制阀之间的油路上,并联设置6个安全阀和单向补油阀组成的阀组,其性能、参数完全相同。当挖掘机挖掘或工作装置制动产生较大载荷时,这6个阀组可起保护作用。无论挖掘机吨位大小,均可采用此种设置。单向补油阀配合安全阀补油以动臂下落制动为例,当控制油液推动阀芯向右移动后,动臂缸有杆腔进油,即动臂向下运动。若停止操纵动臂运动,即控制油压降至接近于零时,阀芯在弹簧作用下恢复中位,动臂缸的A2口、B2口被阀芯切断,无杆腔的油液无法回油,此时动臂缸开始制动。由于铲斗、斗杆、动臂质量较大,运动时所产生的惯性较大,造成动臂缸无杆腔形成较高油压。当无杆腔及油路油压达到安全阀调定压力(36MPa)时,开始以恒定压力卸荷,实现等减速缓冲下落。此时动臂不会迅速停止,会继续下降实现缓冲。

在这一制动缓冲过程中,因动臂缸有杆腔容积较制动前开始增大,有杆腔油压比卸荷回路内的油压小,形成负压,所以单向补油阀可自动向卸荷回路的动臂缸有杆腔补油,以防止缓冲未结束即发生“反弹”现象。该阀组组成的回路,称为制动缓冲补油回路。挖掘机工作装置其他动作进行制动时,所对应安全阀也需卸荷并单向补油阀补油。

挖掘工况单向补油阀补油以挖掘机收斗杆挖掘为例,当操纵斗杆缸无杆腔进油时,活塞杆受到挖掘阻力产生载荷F。此时挖掘机配件的铲斗缸、动臂缸活塞杆分别受到压力和拉力,即铲斗缸无杆腔、动臂缸有杆腔油液同时建立起压力。这2个油腔所建立的压力并不相同,若有1个腔压力达到安全阀设定压力(36MPa)则先卸荷,实现工作装置的过载保护。此时动臂缸有杆腔卸荷、无杆腔补油,或铲斗缸无杆腔卸荷、有杆腔补油。挖掘机收斗杆挖掘如图7所示。

制动与挖掘工况安全阀卸荷及液压缸运动变化的区别及共同点在于:制动工况时,动作液压缸由运动状态逐渐缓冲直至停止;挖掘工况时非动作液压缸由静止状态转变为微动缓冲再停止。虽然安全阀在制动与挖掘工况时所控制液压缸运动的方式不同,但是其共同点均相同,即防止工作装置过载。

(2)手动控制

目前操作不当和违章操作主要是依赖驾驶员正确的手柄操作来加以控制,暂无较好的解决对策。铲斗切削角及切削速度主要依赖挖掘时驾驶员对发动机声音的感觉和操作速度的观察。违章操作的控制,通常需要靠驾驶员对挖掘机的了解和对施工现场的判断能力。

5.工作装置的非正常损坏

康耐轴套通过以上分析可知,在排除附加载荷的基础上,安全阀可以防止挖掘或制动工况产生超载,并能有效保护工作装置。但技术服务人员发现,某些型号的挖掘机工作装置结构件依然会发生非正常损坏情况。此时,可通过以下方法,区分是挖掘机结构件原因,还是液压系统原因。

(1)工作装置结构强度过低

若在某一时间段,批量同型号挖掘机工作装置结构件基本在相同部位出现开焊、裂纹和断裂事故,应重点检查损坏部位结构件设计或制造强度是否存在缺陷与瑕疵。

(2)安全阀压力设定不合理

若某些挖掘机配件的损坏部位不确定,损坏原因不详,或提高结构件强度后损坏位置发生变化,结构件损坏仍得不到彻底解决,应分析结构件强度与安全阀开启压力的关系,或者分析液压系统主溢流阀设定值与安全阀设定值的比值,以判定安全阀设定压力是否过高。

此外,康耐轴套还可通过收集大量市场反馈信息进行分析、验证,从中获取同型号挖掘机工作装置强度设计与安全阀最佳匹配参数,以获得安全阀设定压力值,从而提高挖掘机工作的可靠性。

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