履帶式液壓挖掘機操控性評價標準的分類及應用

王曉磊

摘要：闡述履帶式液壓挖掘機的操作評價中的注意事項，對挖掘機操作性評價的項目進行分類，根據在日常工作中碰到問題分析主要原因并總結規律，將液壓挖掘機的評價標準分為操作的線性度、液壓沖擊、吸空、復合動作的協調性、舒適性5個方面，對每個方面測試規律進行總結，以確保調試工作能夠更加規范、有效地進行。

關鍵詞：挖掘；操作性能；評價方法；評價指標；分類

0? ?引言

近年來，市場上反應部分挖掘機操挖性能不好，操作手容易感覺到疲憊，尤其是在進行精細作業時更甚。針對整機舒適性、操控性等主觀評價的性能方面，用戶提出了更高的要求，主機廠為了更好的提升市場占有率及品牌口碑，已將樣機研發過程中的操作性評價，作為挖掘機技術開發的重要課題之一。

目前，挖掘機主機廠家對操控性測試主要依據操作手的主觀評價，并以儀器測試為輔助。受到人為感覺、作業方式及作業工況條件等多種因素影響，操挖性研究和評價條件復雜多變。至今為止行業仍沒有形成公認的、統一的評價體系和評價指標[1]。根據市場反饋情況及廠內歷史評價標準，本文將液壓挖掘機的操作性評價標準分為操作的線性度、液壓沖擊、吸空、復合動作的協調性、舒適性五個方面，對每個方面測試規律進行總結，以確保調試工作能夠更加規范、有效地進行。

1? ?操作線性度

液壓挖掘機操作的理想標準為所得即所需，根據實際需求自由操作手柄，基本表現為操作的線性度。測試方法主要是緩慢扳動手柄，觀察工作裝置速度或測量液壓缸位移再求導。手柄與液壓缸速率占比關系簡圖如圖1所示。根據圖1把線性度分為3個階段，其中所用數據僅做說明使用。

1.1? ?死區

在0～30%角度之間動手柄時，工作液壓缸不動作，此區間即為死區。此區間主要是由于先導手柄產生的二次壓力小，其推動閥芯開口面積的變化量小，導致閥芯建立的壓力未能推動工作裝置啟動。死區主要是現實中為了防止司機的誤操作，但如果死區過大則會導致后續的線性區小，操作時對液壓缸的速度很難把握[2]。

1.2? ?線性區

30%～70%角度之間時，手柄與工作液壓缸建立良好的線性關系，此區間即為線性區。一般挖掘機動臂提升、斗桿挖掘及卸載、鏟斗挖掘動作，是由兩個閥芯供油。第一閥芯先打開，隨著先導壓力繼續增大，第二閥芯打開。如兩個閥芯開口及打開壓力配合不好，會導致工作液壓缸活塞桿突然加速伸縮。一般情況下，司機在微調手柄時，希望在較大手柄動作下工作裝置的動作幅度變化較小，測試表現為線性區的斜度小。此時速度對手柄角度敏感度低，所以在滿足速度的前提下，線性區橫坐標越大，操作者對機構的定位也會更加準確。

1.3? ?全速區

70%～100%角度之間時，即為全速區間。此時主閥的閥芯已經全部打開，手柄角度增加，液壓缸速度也不會再變化。此區間如果橫坐標占比過大，外在反應為單動作速度慢或線性區過小。

某挖掘機斗桿挖掘實測數據如圖2所示。圖2下部虛線表示先導壓力。第一區域為死區，第二區域為線性區，包含斗桿第二閥芯開啟的線性區域。第三區域由于操作失誤，在液壓缸行程到底時還沒有測出全速區。

2? ?液壓沖擊

挖掘機手柄迅速掰動、松開及換向時，液壓閥口突然打開或關閉，使油路變換方向，運動部件的慣性作用向整個作業裝置傳遞，進而引起整車的沖擊和振動。此時整機已定型，更改結構設計不太現實，為此通常采用優化液壓系統來改善液壓沖擊。根據作用機理，一般把挖掘機的沖擊可分為3類：

2.1? ?啟動、停止及換向沖擊

該類沖擊表現為挖掘機工作中頻繁更換各液壓缸的動作方向，閥口開關動作占比很大，對操作性影響很大。試驗方法是迅速扳動、回位及換向手柄，以操作手感受整機振動或壓力測試為評判標準（液壓缸不在行程末端）。

圖3為根據GB/T 8104-1987《流量控制閥試驗方法》測試的先導壓力與閥口流量的曲線。液壓沖擊產生的基本原因是流量的劇烈變化，一般開啟階段采取對閥芯剛降低流量來降低液壓沖擊。

某挖掘機斗桿卸載動作實測曲線如圖4所示。由圖4可看出，斗桿液壓缸有桿腔在啟動時液壓沖擊很大。改動主閥閥芯對主機廠來說比較困難，為此在調試時，一般采用在先導處增加節流，降低閥芯打開與關閉速度，以達到減緩流量變化、降低沖擊的目的。需要注意的是，若節流孔太小，冬天因為油溫低會出現響應慢的問題。

2.2? ?液壓缸末端沖擊

液壓缸末端沖擊會使工作裝置出現大幅度晃動，造成挖掘機履帶前端抬起等機械沖擊，從而對操作舒適性產生較大影響。同時末端沖擊也會使活塞桿在行程末端與缸體沖撞，導致其結構損壞。為了避免此問題，一般在動作的液壓缸端設置緩沖機構。

末端沖擊試驗方法如下：迅速扳動手柄，直至液壓缸進入行程末端并保持憋壓狀態，讓操作手感受機器沖擊，或采用測量儀器，測量液壓缸內壓力峰值及緩沖時間。改善方法是聯系液壓缸廠家，改進缸體內的緩沖機構來實施。鑒于篇幅限制，本文對此不作討論。

2.3? ?復合時的增減動作沖擊

復合時的增減動作，是指單動作時突然增加其他動作，復合動作時迅速停止一個動作。動作數量的變化引起流量分配的改變，導致其液壓缸進入的油液突然增大或減少，最終表現為沖擊。通常用減緩流量的變化來降低沖擊，如可把控制優先閥的比例電磁閥的信號增大斜率，或直接在優先閥處增加節流。雖然該沖擊在性能表現上不太明顯，但影響也不容忽視。

3? ?吸空現象

吸空現象是指動臂在作下降或斗桿作回收動作時，其在重力的作用下下降速度很快。如果主泵流量不能滿足液壓缸的速度要求，液壓缸活塞桿會在特定位置后速度減慢或停頓。由于流量不足的原因導致的吸空，常形成于低擋位或復合動作中。挖掘機吸空常見動作如表1所示。

圖5為某挖掘機鏟斗挖掘+斗桿挖掘復合動作時，斗桿的壓力曲線。由于使用的壓力傳感器只能測正壓，斗桿無桿腔壓力0MPa左右就可認為斗桿產生吸空現象。吸空過程中的負壓危害包括以下兩方面：一是使液壓油中的空氣析出氣泡，氣泡在高壓下產生氣蝕現象，又會對液壓件產生損害。二是會降低挖掘機的作業效率。

各廠家對挖掘機吸空的標準有所不同，沒有具體的標準，但至少在常用擋位不能出現吸空現象。對于挖掘機吸空現象，常用的改善途徑主要是聯系液壓件廠家，改變多路閥閥芯回油背壓或加大再生油路的比例。

4? ?復合動作協調性

挖掘機的作業工況復雜，常需要幾個動作配合。而液壓缸的流量分配依據各個液壓缸負載及相應的閥口開度大小，主機廠理想的開發目標，是主閥能根據工況合理地分配共同動作時各液壓執行元件的流量。挖掘機各機型常用工況分類如表2所示。

工況的復雜性使各個動作調試時困難異常，本文選擇各車型都包含的平地與裝車動作進行分析。調試過程中把以下兩個動作作為首要目標：一是平地動作中的斗桿挖掘+動臂提升；二是裝車動作中的動臂提升+回轉。

4.1? ?平地動作

平地作業時動臂手柄全開，斗桿手柄配合動臂使鏟斗齒尖相對地面做平行直線軌跡。此時對斗桿動作的靈敏性要求較高，斗桿速度調節需跟上鏟斗位置變化。同時一般平地動作都是工作在低擋位狀態下，低擋位時的低轉速會使液壓系統中流量較小。

平地動作由兩泵供油，其中動臂負載最大，斗桿最輕。根據液壓原理，液壓油會分配到負載較輕的斗桿液壓缸內，而流量不足使動臂閥芯不能建立需要的壓差，導致斗桿速度快，出現“點頭”現象。此時需操作手多次調整斗桿手柄。

4.2? ?裝車動作

甩方動作包括挖掘、提升、卸載、回位4個階段。根據操作手的經驗，在提升階段（動臂提升+回轉）如果流量分配合理，會極大的提升作業效率。而操作手感受的兩動作速度分配比例主觀性較強，需要對比例指標進行量化來指導前期調試。

市場上小挖多用于挖坑，對動臂提升性能要求不高。中挖多用于裝車，對動臂提升與回轉性能要求較高。大挖常在用于在平臺裝高密度石塊，對動臂提升性能要求較高。測試動作為空載狀態下動臂與回轉同時動作，在動臂達到行程時測量回轉轉動的角度。提升階段速度分配的大致范圍如表3所示。

總體而言，對于挖掘機復合工況的協調性問題，常用的改善措施是，聯系廠家調整主閥芯開口或優先閥的開度，對流量科學優化。

5? ?舒適性

舒適性包含噪聲、空調制冷、振動、駕駛室密封等多方面的要求。舒適性有國標要求，可根據直接按標準進行判定。

6? ?結束語

近年來，操作評價在挖掘機行業越來越被生產廠家的重視。根據市場反饋情況及廠內歷史評價標準，本文將液壓挖掘機的評價標準分為操作的線性度、液壓沖擊、吸空、復合動作的協調性、舒適性五個方面，對每個方面測試規律進行總結，以確保調試工作能夠更加規范、有效地進行。

參考文獻

[1] 李叢山.挖掘機液壓系統控制性能分析[J].機械工程與自動化，2014（4）：150-151+154.

[2] 陳健，趙北，劉同文.挖掘機操作性能優化測試方法研究[J].工程機械，2018，49（5）：16-21+95.