裝載機再制造及電動化改裝研究與應用

鄧杰武

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

據中國工程機械工業協會統計：中國工程機械主要產品市場保有量由2012 年底的561 萬～608 萬臺，上升到830 萬～899 萬臺，十年增量超過250 萬臺，接近300 萬臺，目前行業估計挖掘機社會保有量250 萬臺，裝載機50 萬臺。裝載機作為使用最廣泛的工程機械，由于工作環境及作業工況多變，結構復雜，每年退役報廢的裝載機數量巨大，這些退役的裝載機大多數被報廢拆解當做廢剛進行處理，其中仍可利用的大部分價值被浪費掉，處理過程同時也消耗了大量的能源及人力物力。目前，再制造技術應用日益成熟，裝載機整機再制造，已成為退役報廢裝載機價值回收、資源循環利用的重要途徑。本文通過分析其主要失效模式，根據再制造標準，選擇最合理的再制造修復技術及工藝，利用專業化的再制造方式，對其進行批量化修復、技術改造、性能提升。并以核心零部件再制造為基礎，開展裝載機整機再制造，使得損壞失效的裝載機恢復原有性能。再制造產品比新產品制造過程節能60%，平均有70%的材料可以被利用，成本實際不到原來的50%，對環境的不良影響顯著降低[1-3]。

1 裝載機再制造概念

裝載機再制造是以再制造技術研究應用及對其主要核心零部件再制造為基礎，開展裝載機整機再制造，使其整機技術性能達到或超過其原型新機，主要核心零部件包括但不限于下表1，為確保再制造整機性能，不進行再制造的零部件應替換新件。

表1 裝載機再制造核心零部件清單

2 裝載機再制造技術

2.1 核心零部件再制造

裝載機核心零部件再制造是裝載機整機再制造的基礎，不進行再制造的零件應更換新件，核心零部件再制造的質量，也決定了整機再制造整機的產品品質及使用性能，部件再制造通過開展綠色清洗、無損檢測、無損拆解、失效分析、表面工程修復等技術的研究與應用。通過完善的再制造流程和運用先進的表面工程技術及設備，對于原有零部件進行一次重新的制造，參照新品質量管理體系，逐步完善再制造流程。再制造產品性能不亞于新品，必須按照新品質量管理體系進行控制，否則難以達到性能要求，再制造生產過程包含預清洗、拆解、清洗、分選、修復、裝配、試驗、涂裝等制造工序，流程如圖1 所示。

圖1 再制造工序流程

再制造與新品差別的過程主要是舊件的清洗、拆解、舊件檢測、零件修復、改造升級及重新標志，其他過程與新品一致。

（1）舊件清洗。對回收舊件的油污、舊漆、銹跡等的清洗是再制造生產過程的重要環節，其清洗的效果直接影響后續零件的檢驗、評估、修復等的質量和成本，可以研究和應用節能、環保和高效的清洗技術，確保在再制造生產的經濟性和環保性。主要應用的清洗技術包括高溫分解除漆、拋丸、噴砂、超聲波清洗、高溫高壓噴淋清洗等。

（2）拆解。拆解過程對舊件利用率有很大影響，應防止在拆解過程中產生二次損壞，盡可能保留有利用價值的零件，因此應研究各種無損拆解技術，設計保護零件專用拆解設備、工裝及工具，并有效應用。

（3）舊件檢測。嚴格按照零部件制造時的尺寸要求，對清洗后的零件進行檢測鑒定，并對檢測后的零件進行分類，除了采用常規游標卡尺、千分尺等量具檢測外，同時對不易檢測裂紋等缺陷的情況采用探傷等無損檢測，提高再利用件的再準確性。常用無損檢測手段包括超聲波檢測、磁粉探傷等。

（4）修復。修復包含表面工程技術、機加工、焊接等各種技術和方法，是提高舊件利用率和降低成本的主要途徑。修復技術分為恢復尺寸法和修理尺寸法。恢復尺寸法能夠確保零件的互換性，降低后續維修和使用的難度，但需要結合實際使用情況選擇。常用的修復技術包括：冷焊技術、膠補修復技術、螺紋修復技術、超音速火焰噴涂技術、激光熔覆技術等。

（5）改造升級。再制造不僅是恢復原產品的性能，還兼有對原零部件及整機的技術改造的優勢。再制造大部分產品都是退市產品。通過利用最新技術及設計，進行技術改造升級，在降低再制造成本的同時還能提升產品品質。

（6）重新標志。為區別再制造件與新件，采取零件重新編號、重打出廠編號及在產品包裝上粘貼明顯的再制造標志的方法，使物料號上跟新件有明顯區分，便于用戶識別和區分再制造產品，起到明確告知的義務，避免引起爭議。

2.2 核心零部件再制技術應用

（1）超聲無損檢測技術。通過超聲波與試件相互作用，對試件進行缺陷檢測，利用超聲波確定缺陷位置和大小，適用于金屬、非金屬和復合材料等多種制件的無損檢測，穿透能力強，可對較大厚度范圍內的試件內部缺陷進行檢測，靈敏度高，可以檢測試件內部尺寸很小的缺陷，檢測成本低、速度快，設備輕便，對人體及環境無害，現場使用方更便。如采用便協式超聲波檢測設備進行油缸焊縫、殼體類、結構件表面裂紋的檢測等。

（2）磁粉探傷無損檢測技術。利用磁粉與漏磁場的相互作用，產生的磁痕檢測表面缺陷的無損探傷方法。 磁粉探傷可用于軸類、齒輪表面微小裂紋的檢測，具有靈敏度高、操作方便、檢驗速度快、檢驗費用較低等優點，但僅適用于鐵磁性材料。

（3）增材制造激光熔覆修復技術。此技術是一種非建模的增材制造工藝，通過在基材表面添加熔覆耐磨材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起結合的方法，在基層表面形成與其冶金結合的耐磨材料熔覆層，達到零件表面修復及提升耐磨、耐腐蝕、耐高溫及抗氧化等性能。

（4）增材制造超音速火焰噴涂修復技術。該技術是將氣態或液態燃料與高壓氧氣混合后，在特定的燃燒室或噴嘴中燃燒，產生的高溫、高速的燃燒焰流，金屬粉末在載氣的作用下被送到噴槍的出口處，進入燃燒火焰中，形成涂覆層，涂層致密，涂層與基體的結合力較高，可用于金屬零件外圓、平面、內孔的噴涂。

2.3 裝載機結構件再制造流程

為保證裝載機結構件再制造后質量及性能，再制造前對結構件的失效分析和可再制造性評估尤為重要。裝載機結構件主要失效形式為：安裝孔位磨損變形、焊縫開裂、結構變形、裂紋、銹蝕、螺紋損壞等。

結構件再制造流程：附件拆除-清理-檢測-修復方案制定-失效修復-總成檢驗-總成美化。

2.3.1 附件拆除

安裝孔內是否有磨損、變形或殘斷的銷軸，螺紋孔內是否有殘斷的螺栓，使用壓裝設備及工具將銷軸、缸套、螺栓等取出。

2.3.2 清理

工程機械長期使用后的結構件會附著較多的油泥和雜物、油漆老化、表面銹蝕等，需對其進行清理。可使用高溫高壓清洗設備及大型拋丸設備進行清理，拋丸前裝配配合面、螺紋孔應進行防護，避免損傷，為后續檢測、修復工序做準備。

2.3.3 檢測

使用量檢具：正常擰入，擰緊；記錄檢測結果；對比檢測結果。對比設計、工藝要求。監控量檢具是否失效；量檢具對結構件各關鍵尺寸是否能檢測。使用探傷設備對本體及焊縫裂紋等缺陷進行檢測，主要有超聲波檢測、磁粉探傷等；進行無損探傷檢測、螺紋孔損壞檢測，主要檢測各螺紋孔是否有斷螺栓、螺紋損壞。

2.3.4 修復方案制定與失效修復

針對失效問題清單制定相應的修復方案，可從工藝性、成本、質量、安全方面對可行性方案進行方案評估分析，選出最優方案。

（1）軸承、銷軸孔位磨損、變形失效修復

修復方案一：將損傷內孔內、外表面油污、雜質、油漆、水分、鐵銹等清理干凈，如圖2 所示為使用激光熔覆技術或堆焊技術,在需要修復的孔內進行均勻熔覆或堆焊，厚度根據損傷情況及加工余量要求確定，使用臥式雙面鏜床，進行定位校準后加工至設計尺寸要求，如圖3 所示。

圖2 孔位熔覆或堆焊修復

圖3 孔位機加修復

修復方案二：用火焰氣割將磨損、變形失效軸承座從結構件上去除，按設計圖紙重新制作新的軸承座，使用定位工裝，將新軸承座裝入，調整達到設計要求并進行焊接。修復后將定位工裝裝入檢測，要求工裝能正常裝入且配合間隙均勻。

（2）彎曲變形失效修復：檢測彎曲變形的方向、變形量及彎曲變形凸點，用火焰氣割局部加熱凸點，加熱后使用壓力設備使其變形恢復，最終達到校直或校平的目的，變形修復過程中將定位工裝裝入檢測，修復至檢測工裝能正常裝入且配合間隙均勻。

（3）開裂、裂紋失效修復，使用無損探傷設備對本體及焊縫不易檢測裂紋等缺陷的情況，檢測找到裂紋的起止點、裂紋走向及深度，并對裂紋進行標記，在裂紋兩端起止點鉆止裂孔，防止裂紋進一步延伸，裂紋較深的在裂紋部位開坡口增加焊補強度，進行焊前預熱和焊后保溫，以減小焊接應力和裂紋產生。施焊過程中可采用小電流、分層、分段、焊補方向控制等方法減少焊接時的應力和變形。焊后檢查有無氣孔、裂紋，焊縫是否致密、牢固，并使用損探傷設備進行焊接質量檢測。

3 再制造裝載機電動化改造

3.1 再制造裝載機的現狀分析

再制造裝載機主要是以老舊設備、發動機排放等級低，多為國I、國Ⅱ、國Ⅲ排放，燃油工程機械排放污染大，不符合國家環保政策，大部分地區會被限制使用或被強制報廢，內燃發動機燃燒效率為35% ～40%，能源使用效率較低，造成能源的浪費，裝載機每小時耗油量約15～30 L，使用成本高，同時噪音大，司機駕駛舒適度差，為對象解決舊設備排放問題的主要方式有：

（1）改制純電驅動系統，可實現零排放，供電方式可選用動力電池供電或拖線式供電。

（2）改制升級滿足國家最新排放標準的燃油發動機系統，以達到滿足排放的要求。

（3）改制燃料電池動力系統，可實現零排放。隨著三電產品技術逐漸成熟，動力電池價格逐步下降，電動化已成為主流，各大工程機械制造商，也陸續推出電動化工程機械產品。

從燃油發動機與電動機的特性曲線分析對比可以看出（圖4、圖5），電動機具有低速啟動扭矩高的特點，更適合工程機械工況需求，峰值扭矩也遠高于燃油發動機，加速性能好，加速平順，且電動機驅動可取消液力變矩器，傳動效率更高。同時燃料消耗成本，在整機生命周期成本中約占比60%以上，降低能耗成本對整機生命周期成本的降低作用巨大。使用二手設備進行再制造與電動化改裝可有效降低制造成本，節約資源，解決客戶因環保原因，大量狀態良好、殘值較高的，設備被強制報廢的問題，給客戶更多選擇，隨著電池價格不斷下降，電池成本占比不斷下降，二手設備再制造與電動化改裝的價值更加凸顯。

圖4 發動機特性曲線

圖5 電機特性曲線

3.2 再制造裝載機電動化改造方案

電動改裝要獲得良好的匹配性能，對裝載機鏟裝作業特點要進行充分的研究分析，裝載機鏟裝作業流程主要為：放平鏟斗掛檔踩下油門加速沖入料堆使鏟斗全力切入料堆阻力很大時，采用聯合鏟裝法，即同時間段操作轉斗上轉及動臂提升，以達到鏟斗鏟裝滿物料鏟斗裝滿后把動臂升到需要高度，掛2 檔短距離運輸物料到卸料點。

從裝載機作業流程研究中得出，需驅動系統與液壓系統需相互配合作業，驅動系統及液壓系統作業時都有最大的功率需求，根據此作業特點，改裝電動化方案設計時應予以考慮及滿足。

改裝方案一：發動機改制替換為電驅系統，保留利用原車傳動系統及保留液力變矩器、液壓系統、散熱系統及其他系統，發動機原散熱系統改為電機、動力電池扇熱系統，其他部件按改裝需求進行改制，特點：改動較小，較大限度利用原車部件，但需保留液力變矩器，柴油機外特性曲線與電機的外特性曲線有較大的差異，液力變矩器特性與電機特性差異也較大，匹配效率較低。

改裝方案二：采用行走驅動及液壓驅動分開進行驅動及控制的雙電機模式，取消液力變矩器，其他部件按改裝需求進行改制，特點：傳動效率高，能耗低，但需重新設計制作變速箱及液壓泵分動箱，改動難度較大。動力電池選用方面，可優先選用磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰具有安全、使用壽命長以及成本低廉的優點，是裝載機設計應用的首選，其電壓平臺很平，能量發揮好；儲量大便宜；幾乎無熱失控（熱失控溫度在800 ℃以上）[3]。

4 結語

裝載機再制造是使用先進技術包括現代表面工程技術、先進的加工技術、先進的檢測技術和現代生產管理方法對廢舊裝載機零部件，遵循再制造流程進行規模化、批量化再制造生產及兼有對原產品的技術升級改造，再制造后的產品性能達到原產品新品或超過新品，同時以核心零部件再制造為基礎開展裝載機整機再制造，對用戶來說可以較大程度的降低投資成本，同時可以縮短現場維修時間，提高生產效益，對企業來說縮短了生產周期，降低制造成本，減少了輔助生產材料的消耗，同時實現產品從生產到回收的全生命周期管理，促進資源循環再利用，履行企業的社會責任。再制造具有能耗低、綠色低碳、綜合制造周期短、制造成本低、資源可循環等特點，是發展循環經濟的重要途徑之一。