王清鍇，李榮緒，季有昌，金 丹

（1.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧272073；2.山東科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山東 濰坊261053）

0 引言

在我國(guó)的西北地區(qū)、以及沙特阿拉伯、伊拉克、阿爾及利亞等國(guó)家，沙漠地區(qū)占其土地面積比大，其氣候特點(diǎn)是干旱、風(fēng)沙大，高溫（部分沙漠地區(qū)的夏季溫度高達(dá)60℃左右）等，在這種惡劣的氣候條件及工況下，在國(guó)內(nèi)能正常使用的設(shè)備在此工況下往往不能適應(yīng)，易出現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)早期磨損[1]、水溫高、散熱器損壞、密封件易老化、電器件失效、液壓軟管破損漏油和工作裝置磨損較快等故障及問(wèn)題，給使用單位及用戶帶來(lái)?yè)p失，因此有必要采取相應(yīng)的措施，以確保推土機(jī)在上述沙漠工況下（見(jiàn)圖1）正常作業(yè)。

圖1 沙漠型推土機(jī)施工場(chǎng)景

沙漠型推土機(jī)主要用于沙漠場(chǎng)所的開挖、整修、布線以及石油開采的輔助作業(yè)中等工況，除了要滿足普通推土機(jī)的基本功能外，還要有針對(duì)性地根據(jù)沙漠工況特點(diǎn)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)[2-3]。本文是在分析沙漠型推土機(jī)工況特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，相應(yīng)地提出了沙漠型推土機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等主要部件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和特殊要求，為我國(guó)工程機(jī)械廠家開發(fā)沙漠型推土機(jī)提供參考。

1 沙漠型推土機(jī)的工況特點(diǎn)分析

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的推土機(jī)環(huán)境適應(yīng)溫度一般在-35℃～50℃之間，主要應(yīng)用于國(guó)內(nèi)普通的筑路、水利、礦山等土石方作業(yè)工況，可適應(yīng)沙漠條件下作業(yè)的推土機(jī)較少。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間高溫、風(fēng)沙大的沙漠工況，其作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象對(duì)推土機(jī)的影響具有以下特點(diǎn)。

（1）由于沙漠中干旱少雨，氣溫高、風(fēng)沙大、沙子細(xì)而致密，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)造成危害，首先，細(xì)小的沙塵容易進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)空濾器并堵塞濾芯，沙塵顆粒質(zhì)地堅(jiān)硬，容易造成發(fā)動(dòng)機(jī)早磨等故障，使得發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作。其次，散熱器易被揚(yáng)起的沙塵堆積堵塞，有時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的沙粒擊打散熱器，造成散熱器葉片變形或泄露等故障。

（2）推土機(jī)用的各種油液的黏度會(huì)隨著溫度的升高而降低，不易在機(jī)體表面形成油膜，如液壓油快速變質(zhì)，潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑效果變差等[4]，會(huì)加劇相關(guān)零部件的磨損，降低使用壽命，造成推土機(jī)的整體工作效率降低。

（3）長(zhǎng)期的高溫環(huán)境容易造成液壓密封件（如O型圈、骨架油封）老化[5]，壽命變短而喪失密封作用，同時(shí)沙塵附著在橡膠軟管上或油缸活塞桿上，易出現(xiàn)腐蝕、磨損等故障。

（4）沙漠型推土機(jī)作業(yè)環(huán)境溫度高，紫外線強(qiáng)，電氣元件和線束的老化速度加快。由于長(zhǎng)期的高溫環(huán)境下，易造成線路短路或?qū)щ娦阅茏儾睿瑫r(shí)會(huì)加快蓄電池電解液的蒸發(fā)[4]，縮短蓄電池的使用壽命。

（5）由于沙漠的密度大，推土機(jī)的履帶、臺(tái)車、工作裝置、終傳動(dòng)殼體等外露零部件容易受到磨損，減小車輛部分零部件的使用壽命，另外，由于沙漠的抗陷系數(shù)較小，需要推土機(jī)具有較小的接地比壓。

（6）風(fēng)沙大、環(huán)境溫度高不僅給推土機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重質(zhì)量隱患，降低推土機(jī)的作業(yè)效率和使用性能，同時(shí)也會(huì)對(duì)操作人員身體造成嚴(yán)重傷害。

因此，在設(shè)計(jì)沙漠型推土機(jī)的過(guò)程中，針對(duì)這一特殊作業(yè)工況特點(diǎn)，為提高推土機(jī)在惡劣工況下的作業(yè)效率和工作能力，需要考慮沙漠環(huán)境中如防風(fēng)沙、高溫適應(yīng)性和駕乘環(huán)境等多方面因素，才能設(shè)計(jì)出滿足沙漠工況要求的沙漠型推土機(jī)。

2 沙漠型推土機(jī)的設(shè)計(jì)要求

沙漠型推土機(jī)是一款特殊的推土機(jī)，通常是根據(jù)沙漠型推土機(jī)的工況特點(diǎn)，在普通推土機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或改進(jìn)，以滿足沙漠環(huán)境下的作業(yè)要求，因此，本文只對(duì)沙漠型推土機(jī)的特殊設(shè)計(jì)要求加以論述。

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

沙漠型推土機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要著重考慮發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的防塵性能，必須避免發(fā)動(dòng)機(jī)因散熱器的堵塞而處于長(zhǎng)時(shí)間高溫工作狀態(tài)，同時(shí)散熱器要具有可靠高效的散熱能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及各系統(tǒng)的熱平衡，從而提高系統(tǒng)的使用壽命。

（1）為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，并防止大量細(xì)小的沙塵進(jìn)入機(jī)體而造成發(fā)動(dòng)機(jī)部件早磨，需增大空氣濾清器容量及增加過(guò)濾等級(jí)，由普通的二級(jí)過(guò)濾增強(qiáng)為三級(jí)過(guò)濾或者采用專用復(fù)合多級(jí)空濾器，并且盡可能地將進(jìn)氣口加高，防止沙塵的進(jìn)入，提高進(jìn)氣系統(tǒng)過(guò)濾沙塵的能力，同時(shí)增加額外一級(jí)空濾器，加大進(jìn)氣系統(tǒng)的容灰量，延長(zhǎng)濾芯保養(yǎng)周期。按照GB/T21156.1-2007的規(guī)定，保證在4K4S環(huán)境條件下具有8 h以上不需要保養(yǎng)的周期。此外，對(duì)沙漠型推土機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)加注具有極強(qiáng)耐高溫性能的SAE20W-50機(jī)油。如圖2所示為設(shè)計(jì)的專用高置多級(jí)空濾，通過(guò)將發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)濾器及空濾器安裝在駕駛室上部，遠(yuǎn)離顆粒物聚集區(qū)。

（2）普通工況中，飛蟲、柳絮等異物在散熱器表面的積累會(huì)影響散熱，常規(guī)的散熱器護(hù)網(wǎng)即可起到明顯的作用；而沙漠環(huán)境更多的需要考慮大量沙石對(duì)散熱器的破壞，常規(guī)的散熱器護(hù)網(wǎng)作用有限，需要專用的網(wǎng)格式防沙護(hù)網(wǎng)，如圖3為設(shè)計(jì)的一種散熱器防沙護(hù)網(wǎng)。依靠高密度并有一定厚度的護(hù)網(wǎng)網(wǎng)格來(lái)減緩沙石移動(dòng)速度，消除其對(duì)散熱器的威脅。

（3）在沙漠高溫環(huán)境下，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在高溫系統(tǒng)下工作，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)及各系統(tǒng)的熱平衡，需配備加大散熱器，采用直通式芯體，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、加大風(fēng)扇風(fēng)量等，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇可選用特殊結(jié)構(gòu)，如增加風(fēng)扇反轉(zhuǎn)功能，通過(guò)轉(zhuǎn)換吹風(fēng)及吸風(fēng)模式，便于及時(shí)快速清除散熱器上的沙塵，加長(zhǎng)散熱器維護(hù)保養(yǎng)周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）機(jī)罩前護(hù)柵設(shè)計(jì)為特殊的導(dǎo)流防護(hù)柵，將發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇吹起的氣流通過(guò)前護(hù)柵后斜向上吹出，有效解決推土機(jī)正常作業(yè)時(shí)揚(yáng)起大量沙塵，避免沙塵等雜物進(jìn)入車體，損壞、堵塞散熱器，影響整機(jī)散熱性能。

圖2 專用高置多級(jí)空濾器

圖3 散熱器防沙護(hù)網(wǎng)

2.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

沙漠工況下，環(huán)境溫度可達(dá)到40℃～60℃，甚至更高，推土機(jī)各部件也處于高溫狀態(tài)工作，高溫環(huán)境會(huì)使推土機(jī)液壓油中的空氣快速膨脹，產(chǎn)生氣穴，對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生危害，另外，高溫可使密封件老化及液壓油快速變質(zhì)，造成漏油及潤(rùn)滑不良等故障。因此沙漠型推土機(jī)液壓系統(tǒng)有以下設(shè)計(jì)要求：

（1）密封件設(shè)計(jì)要求：高溫環(huán)境容易造成常規(guī)密封件快速老化，喪失密封作用從而導(dǎo)致液壓油泄漏，影響推土機(jī)使用。目前推土機(jī)常用的O形圈材料有丁睛橡膠NBR-1B、硅橡膠VMQ-1C和氟橡膠FKM-1E，丁睛橡膠的使用溫度為-30℃～+100℃，硅橡膠的使用溫度為-55℃～+180℃；氟橡膠的使用溫度為-20℃～+160℃。硅橡膠和氟橡膠都具有良好的物理機(jī)械性能和壓縮變形性能，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐高溫性能優(yōu)異，硅橡膠常用于3 MPa以下的低壓系統(tǒng)，而氟橡膠可適應(yīng)14 MPa左右的高壓系統(tǒng)。對(duì)于沙漠型推土機(jī)，為滿足其使用要求，可根據(jù)不同液壓系統(tǒng)的壓力，選用硅橡膠VMQ-1C或氟橡膠FKM-1E。

（2）橡膠軟管設(shè)計(jì)要求：橡膠軟管因其良好的柔性及方便安裝的特點(diǎn)，在推土機(jī)液壓系統(tǒng)中大量應(yīng)用，由于沙漠型推土機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫的作業(yè)環(huán)境中，橡膠管容易出現(xiàn)磨損、滲油、容易老化等問(wèn)題，所以沙漠型推土機(jī)外露橡膠管要增加耐高溫的保護(hù)套。

（3）為降低液壓系統(tǒng)的使用溫度，變速轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)可以使用兩級(jí)冷卻，即在常規(guī)的水箱下部水冷的基礎(chǔ)上再增加一級(jí)新的風(fēng)冷散熱器，并且高溫液壓油需先經(jīng)過(guò)新的風(fēng)冷散熱器再經(jīng)過(guò)原水冷散熱器，以降低對(duì)水箱的熱負(fù)荷；同時(shí)為提高散熱效率，新的散熱器最好是鋁質(zhì)的。

（4）液壓油要采用具有良好的黏溫性和適中的黏度指數(shù)的油品，可選用SAE15W-40液壓油等，同時(shí)為防止沙塵對(duì)污染液壓油，需要對(duì)液壓油采取一定的防塵措施，如在液壓油箱的加油口、通氣口等處加裝高質(zhì)量的防塵濾網(wǎng)等。

2.3 電氣系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)要求

高溫沙漠環(huán)境也會(huì)對(duì)推土機(jī)的電氣系統(tǒng)造成極大影響，如沙塵進(jìn)入電氣插接頭處容易造成線路短路故障、高溫使電氣元件快速老化、另外強(qiáng)烈的光照以及揚(yáng)起的沙塵會(huì)對(duì)儀表臺(tái)等部件造成破壞等，故沙漠型推土機(jī)電氣系統(tǒng)有以下設(shè)計(jì)要求：

（1）整車線束采用無(wú)縫式蛇皮管、T型分線器。無(wú)縫式蛇皮管密封性好，強(qiáng)度高，有較強(qiáng)的防水、防塵、防腐蝕能力，其防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67，可將灰塵等顆粒物和露水等完全隔離，有效保障整車線束的安全。

（2）蓄電池在高溫環(huán)境下，電解液蒸發(fā)速度會(huì)加快，要選用高可靠性的免維護(hù)蓄電池。

（3）采用高密封性的接插件及開關(guān)，防止因沙塵進(jìn)入造成系統(tǒng)不穩(wěn)定、開關(guān)卡滯甚至線路短路等故障，外露的接插件要設(shè)計(jì)防護(hù)裝置等，以免磨損。

用肉眼鑒別結(jié)果表明，第⑩土層主要成分以鱗片狀云母、石英、長(zhǎng)石為主，云母含量豐富，呈砂土狀。應(yīng)用透射偏光顯微鏡對(duì)⑩土層與下覆強(qiáng)風(fēng)化層巖石成分進(jìn)行對(duì)比鑒定，如圖2所示。土的鏡下鑒別為砂粒結(jié)構(gòu)，顆粒分選中等，磨圓呈次圓—棱角狀；土中顆粒成分主要包括云母，石英，長(zhǎng)石及巖石碎屑，黑云母含量較多，定向排列，巖屑為變質(zhì)巖巖屑，巖屑中亦含較多的黑云母。下覆基巖鏡下鑒定為細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，變晶礦物為石英(含量為60%)和黑云母(含量35%)，云母均呈連續(xù)定向排列，基質(zhì)結(jié)構(gòu)為細(xì)粒粒狀鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，定名為細(xì)粒黑云片麻巖。第⑩層為黑云片麻巖原位全風(fēng)化產(chǎn)物，保持了原巖中云母定向排列特征，呈砂土狀。

（4）儀表箱采用金屬外殼的箱體來(lái)代替注塑箱體，注塑箱體很容易被沙粒等擊打損壞，導(dǎo)致儀表等電氣元件損壞，金屬箱體可有效的保護(hù)儀表，接插件等電氣元件。

2.4 底盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

推土機(jī)的底盤系統(tǒng)包括臺(tái)車、履帶、支重輪等，其承受著整車的重量。沙漠型推土機(jī)的的底盤系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要保證具有較高的耐磨性、較好的附著性能等。

（1）臺(tái)車支重輪兩側(cè)安裝全防護(hù)的支重輪護(hù)板，防止物料進(jìn)入對(duì)其嚴(yán)重磨損，同時(shí)對(duì)終傳動(dòng)內(nèi)殼體增加保護(hù)裝置（見(jiàn)圖4），減緩?fù)仆翙C(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)其終傳動(dòng)內(nèi)殼體的磨損，提高終傳動(dòng)內(nèi)殼體的使用壽命。

圖4 終傳動(dòng)外殼體保護(hù)裝置

（2）由于沙漠的抗陷系數(shù)一般較小，沙漠型推土機(jī)底盤系統(tǒng)要求具有低接地比壓，可考慮采用加長(zhǎng)寬幅單齒履帶板，即增加沙漠型推土機(jī)的接地面積，又有利于牽引力的充分發(fā)揮。

（3）為減少與沙子等物料的磨損，可適當(dāng)增大沙漠型推土機(jī)底盤的離地間隙并改進(jìn)底盤結(jié)構(gòu)，如采用殼式底盤結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5），能有效延長(zhǎng)底盤部件使用壽命，同時(shí)通過(guò)性能更好。

圖5 殼式底盤結(jié)構(gòu)

2.5 駕乘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

（1）改善駕駛室與周邊接觸面的密封結(jié)構(gòu)（如采用迷宮密封等）[6]，同時(shí)駕駛室門、窗采用夾層鋼化玻璃等，使駕駛室具有良好的密封性，配置具有較強(qiáng)制冷功能的空調(diào)，在高溫環(huán)境下，保持駕駛室內(nèi)較低的舒適溫度。

（2）駕駛室標(biāo)配專用的凈化增壓裝置（見(jiàn)圖6），保證駕駛室內(nèi)部空氣清新和流動(dòng)性好，為駕駛員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。

（3）沙漠地區(qū)夏季白天高溫不適合作業(yè)，往往進(jìn)行夜間作業(yè)，需在駕駛室上設(shè)計(jì)多個(gè)工作燈，為夜間施工提供良好的照明保障。

圖6 凈化增壓裝置

2.6 工作裝置的設(shè)計(jì)要求

由于沙漠型推土機(jī)的作業(yè)對(duì)象是各種沙粒，主要作業(yè)方式是將這些沙粒進(jìn)行移位、堆積等，為實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)效率，需要配置容量大、耐磨性高的沙漠鏟，其鏟頭的橫向結(jié)構(gòu)呈U形，具有較強(qiáng)的集沙、運(yùn)沙能力，特別適用于運(yùn)沙距離較遠(yuǎn)（50 m以上）時(shí)沙粒的堆積等作業(yè)[7]。沙漠鏟要采用高強(qiáng)度的封閉箱型結(jié)構(gòu)，其弧形板采用高性能的耐磨材料，并設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，確保其耐磨性和耐用度。

在鏟刀合理設(shè)計(jì)和選擇的基礎(chǔ)上，同時(shí)針對(duì)沙漠特殊工況，后部常裝有絞車[8]（見(jiàn)圖7），絞車安裝在推土機(jī)的后端，依靠卷?yè)P(yáng)來(lái)完成對(duì)物料的牽引作業(yè)，同時(shí)在危險(xiǎn)地段作業(yè)時(shí)，備有絞車可以進(jìn)行推土機(jī)自救。

圖7 絞車

2.7 其它設(shè)計(jì)要求

（1）沙漠型推土機(jī)的外觀零部件要具備足夠的防護(hù)能力，防止沙塵、沙粒的侵入，避免關(guān)鍵零部件受到?jīng)_擊和損壞。如對(duì)蓄電池、工作油箱設(shè)置防護(hù)罩等。

（2）沙漠型推土機(jī)上下車通道的扶手和踏板應(yīng)有足夠強(qiáng)度且防滑，避免操作人員在惡劣的環(huán)境中作業(yè)時(shí)受傷。

（3）沙漠工況環(huán)境惡劣，基礎(chǔ)設(shè)施不完善，沙漠型推土機(jī)可以配置跨接電纜線，推土機(jī)電池饋電時(shí)，可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備之間的電池充電，減少不必要的損失，這也是人性化設(shè)計(jì)的體現(xiàn)。

另外，為了提高沙漠型推土機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)效率，可以考慮采用履帶自動(dòng)張緊裝置、集中潤(rùn)滑裝置等先進(jìn)技術(shù)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文提出的沙漠工況環(huán)境下的推土機(jī)特殊設(shè)計(jì)，已應(yīng)用在山推SD17-3 RS沙漠型推土機(jī)上（見(jiàn)圖8），經(jīng)裝機(jī)試制及對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證（見(jiàn)表1），此機(jī)型的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、可靠性更高，整機(jī)的使用壽命提高20%左右，整機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)成本每年降低約25%，使用效果良好，目前已廣泛使用在內(nèi)蒙古庫(kù)布其沙漠光伏生態(tài)發(fā)電項(xiàng)目（見(jiàn)圖9）中等。

表1 山推SD17-3 RS沙漠型推土機(jī)升級(jí)前后的對(duì)比

圖8 SD17-3 RS沙漠型推土機(jī)

圖9 庫(kù)布其沙漠施工場(chǎng)景

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了在沙漠型推土機(jī)特殊工況環(huán)境下，為滿足實(shí)際使用需求，沙漠型推土機(jī)必須對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、駕乘系統(tǒng)等相關(guān)部件進(jìn)行優(yōu)化或重新設(shè)計(jì)，還需要注重對(duì)操作者保護(hù)及整機(jī)防護(hù)方面的設(shè)計(jì)，以克服極惡劣工況造成的不利影響。