韋家義

（廣西玉柴重工有限公司，廣西 玉林 537005）

平整作業(yè)是小型液壓挖掘機（以下簡稱“小挖”）的一種常用的作業(yè)形式，其主要工況有平整地面、修坡等，其中使用斗尖進行平整作業(yè)居多。平整作業(yè)主要是通過斗桿與動臂這兩個部件的復合運動來實現的，因此，平整作業(yè)性能本質是一種復合運動時的操縱性能，平整作業(yè)操縱舒適性主要體現在斗桿與動臂的動作協調性，良好的動作協調性是靠匹配出來的，那么，平整作業(yè)性能的匹配即斗桿與動臂兩者之間的性能匹配就顯得很重要，值得深入研究。

1 平整作業(yè)姿態(tài)

研究挖掘機的各種作業(yè)性能，都需要從作業(yè)姿態(tài)入手，結合不同工況進行，不同的姿態(tài)在不同的工況下體現不同的性能，平整作業(yè)也不例外。

在平整作業(yè)時，需操縱動臂先導控制手柄（右手柄）和斗桿先導控制手柄（左手柄）同時向后拉實現鏟斗的平整刮土動作，同時向前推實現鏟斗的平整推土動作。如圖1所示，是一種采用斗尖進行平整作業(yè)的姿態(tài)變化圖，以停機面為平整作業(yè)面，姿態(tài)Ⅰ為平整作業(yè)初始位置，鏟斗處于垂直挖掘姿態(tài)，斗桿油缸全縮；姿態(tài)Ⅱ為平整作業(yè)目標終了位置；平整作業(yè)從姿態(tài)Ⅰ開始到姿態(tài)Ⅱ過程中，鏟斗油缸始終不動作。

在評價平整作業(yè)性能水平時，考核指標是：要求從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ，平整作業(yè)的平整距離（L）達到鏟斗與推土鏟距離（A）的30%以上，姿態(tài)Ⅱ的斗尖離地高度（B）不超過100mm，這樣才算是具有良好的作業(yè)性能，即L≥30%A，B≤100mm。

2 平整作業(yè)的油缸行程匹配

平整作業(yè)時斗桿與動臂的性能匹配，首先要了解和研究斗桿油缸和動臂油缸的行程變化與平整點（鏟斗斗尖）的軌跡。

如圖2所示，平整作業(yè)姿態(tài)Ⅰ時的油缸行程計算模型圖，建立以動臂與平臺的鉸點O為原點、向左為X軸、向上為Y軸的坐標。

圖2 挖掘機平整作業(yè)姿態(tài)Ⅰ時的油缸行程計算模型圖

圖中LD0——動臂油缸長度，mm；

β——動臂內側與水平夾角，°；

Φ——斗桿內側與水平夾角，°；

ε——斗桿外側與水平夾角，°；

H——動臂絞點Y距離，mm；

LD1——動臂大腔絞點X距離，mm；

HD1——動臂大腔絞點Y距離，mm；

B——動絞到斗桿油缸大腔絞點距離，mm；

C——動臂絞點到斗桿絞點的距離，mm；

D——斗桿絞點到平土點距離，mm；

E——斗桿油缸小腔絞點到平土點距離，mm。

經運算，可得到一種平整作業(yè)時油缸行程匹配關系（圖3）、平整作業(yè)時斗尖運動軌跡匹配關系（圖4）。由此可見，斗桿油缸行程與動臂油缸行程之間為非線性關系，斗尖運動軌跡非直線運動。

圖3 一種平整作業(yè)時挖掘機油缸行程匹配關系圖

圖4 一種平整作業(yè)時挖掘機斗尖運動軌跡匹配關系圖

如圖5所示，從圖1和圖2得到平整作業(yè)時動臂油缸鉸點變化圖（同XOY坐標系）。從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ，動臂油缸從位置2到位置3，油缸行程伸長量為ΔS動臂。

如圖6所示，從圖1和圖2得到平整作業(yè)時斗桿油缸鉸點變化圖（同XOY坐標系）。從姿態(tài)Ⅰ到姿態(tài)Ⅱ，斗桿油缸從位置C到位置D，油缸行程伸長量為ΔS斗桿。

由此可得，斗桿油缸與動臂油缸的行程變化關系：

由如圖3可知，k1非線性。

圖5 挖掘機平整作業(yè)時動臂油缸鉸點變化圖

圖6 挖掘機平整作業(yè)時斗桿油缸鉸點變化圖

斗桿油缸大腔與動臂油缸大腔的面積比：

一般，斗桿油缸小于動臂油缸，則k2＜1。

則有斗桿油缸大腔與動臂油缸大腔的容積比即為單位時間的流量比：

在油缸參數確定后，k2即為常量C。

由上述計算可知，平整作業(yè)時，斗桿油缸的行程大于動臂油缸行程，相同時間內斗桿油缸大腔的流量需求大于動臂油缸大腔的流量需求，這正是平整作業(yè)性能匹配的根本出發(fā)點。

式(4)中，行程、缸徑、流量（排量）以及結構件這些參數，都是與設計輸入值相關，一旦選定或定型，動臂、斗桿的油缸運動速度就基本確定下來了。也就是說，平整作業(yè)特性是挖掘機的一個固有特性，需要在設計開始階段做好匹配，否則后續(xù)再怎么整改優(yōu)化，也將于事無補。

需注意的是，如果斗桿油缸桿頭鉸點對斗桿轉動鉸點的距離（圖4所示的LBC）過長，那么斗桿的轉角就越大，行程就會越長，流量需求也就會越大，可能導致無法實現平整作業(yè)。

3 三泵系統匹配

3.1 壓力油源匹配

三泵系統具有良好的操縱性能，是小挖主流的液壓系統。但是，不同主機廠，對P1、P2、P3泵的匹配策略各不相同，因此平整作業(yè)性能也就有所不同。如圖7所示，是一種三泵系統的油源匹配策略圖。

圖7 一種三泵系統的油源匹配策略圖

這個三泵系統的油源匹配策略是：P1泵供壓力油給動臂油缸，P2和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸。

1）當提動臂、收斗桿時，P1泵供壓力油給動臂油缸大腔，P2泵和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸大腔。

2）當下動臂、放斗桿時，P1泵供壓力油給動臂油缸小腔，P2泵和P3泵合流供壓力油給斗桿油缸小腔。

這個三泵系統的油源匹配策略的目的是：平整作業(yè)時，為了獲得更大的平整距離、更流暢的操縱感受、斗桿與動臂的動作更加協調，需提高斗桿的動作速度，降低動臂的動作速度，避免動臂過快而導致等待斗桿的現象。由于平整作業(yè)時動臂油缸的行程小而斗桿油缸的行程大，這就是意味著斗桿油缸需要更多的流量。

3.2 油缸流量匹配

斗桿大腔需求容積

動臂大腔需求容積

斗桿與動臂大腔需求容積比

斗桿與動臂大腔需求流量比

由于單位時間內，斗桿與動臂大腔需求流量比=斗桿與動臂大腔需求容積比，在平整作業(yè)時，無論高速還是低速作業(yè)，司機都希望獲得一個穩(wěn)定操縱手感（流量配比），避免忽快忽慢而難以操控，則λ=ν=C（常量）成立。

根據實踐經驗，斗桿與動臂大腔需求的容積比的取值范圍是：2.2≤λ≤2.5。

需注意的是，如果λλ取值越大，則流量需求越大，主泵或系統需提供的流量就會越大，匹配的難度也會加大，甚至無法實現；反之，如λ取值偏小，則無法實現平整作業(yè)。

在設計策劃階段，要驗算主泵的排量選擇和采用的三泵系統匹配策略是否能滿足流量配比的需求。根據上述的三泵系統的油源匹配策略，可得：

P1泵供給動臂大腔的流量

P2泵供給斗桿大腔的流量

P3泵供給動臂大腔的流量

P2與P3泵合流斗桿大腔的流量

泵供給斗桿與動臂流量比

若φ≈λ,在λ的取值范圍內，則說明流量充足，滿足平整作業(yè)要求；若φ＜λ,即泵供給斗桿與動臂的流量比小于斗桿與動臂需求的容積比，則無法滿足平整作業(yè)要求，需采取措施提高流量。如果在滿足其它性能匹配的前提下，可以考慮在液壓多路閥的動臂閥芯處增加分流回油，減少動臂油缸的流量供給，從而實現泵供給斗桿與動臂的流量比達到或接近斗桿與動臂需求的容積比。

平整作業(yè)的負荷不大，為了降低油耗，一般要求發(fā)動機在低轉速區(qū)即可進行平整作業(yè)。因此，發(fā)動機的低轉速區(qū)一般取ne=1400～1500rpm。式中

DA——斗桿油缸缸徑（mm）；

DB——動臂油缸缸徑（mm）；

nA——斗桿油缸數量(個)；

NB——動臂油缸數量(個)；

SA——平土作業(yè)時斗桿油缸行程（mm）；

SB——平土作業(yè)時動臂油缸行程（mm）；

VA——斗桿大腔需求容積（L）；

VB——動臂大腔需求容積（L）；

QA——斗桿大腔需求流量（L/min）；

QB——動臂大腔需求流量（L/min）；

ν——斗桿與動臂大腔需求容積比；

λ——斗桿與動臂大腔需求流量比；

q1——P1泵的排量（cc/rev）；

q2——P2泵的排量（cc/rev）；

q3——P3泵的排量（cc/rev）；

ne——發(fā)動機轉速（rpm）；

Q1——P1泵供給動臂大腔的流量（L/min）；

Q2——P2泵供給斗桿大腔的流量（L/min）；

Q3——P3泵供給斗桿大腔的（L/min）；

φ——泵供給斗桿與動臂流量比。

3.3 多路閥的斗桿回油再生功能

提高平整作業(yè)的性能還可以通過在液壓多路閥內設置斗桿回油再生功能的方法來實現。斗桿回油再生功能提速部分的主要作用是彌補三泵系統受不完全發(fā)揮功率影響的速度。如斗桿沒設置有再生功能，為遷就斗桿，必須降低動臂速度，動臂油缸的流量就會被分流，這就導致整體速度被拉低。斗桿回油再生功能可以提高斗桿動作速度，從而提高平整作業(yè)效率。

根據實踐經驗，對于2.5t以上的小挖，有必要設置斗桿回油再生功能；而對于2.5t以下的小挖，由于P2泵與P3泵的合流已可滿足斗桿在平整作業(yè)中需求，可不設置斗桿再生功能。如圖8所示的斗桿再生原理圖；如圖9所示的斗桿再生功能圖；如圖10所示的斗桿閥片閥芯（再生作用）的剖面圖。當斗桿內收進行平整作業(yè)時，通過斗桿油缸小腔的回油進入斗桿油缸大腔來實現斗桿速度的提升。

圖8 斗桿再生原理圖

圖9 斗桿再生功能圖

圖10 斗桿閥片閥芯（再生作用）的剖面圖

4 結 語

小挖進行平整作業(yè)的頻率較高，提高斗桿的運動速度，使得斗桿與動臂更加協調，這樣不但可獲得良好的操縱感受，還可以提高平整作業(yè)效率。除本文所介紹的幾種行之有效的技術手段外，還有一些其它方式，如雙斗桿閥芯合流技術等，可根據產品自身需求來選擇與匹配。

[1]陳國俊.液壓挖掘機[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[2]郝前華.挖掘機平整作業(yè)特性分析及性能優(yōu)化研究[D].長沙：中南大學，2012.

[3]韋家義.小型液壓挖掘機三泵系統的匹配[J].建筑機械化，2018，(5)：17-20.