輪式挖掘機是以輪胎作為行走部件的挖掘機械,簡稱輪挖。輪挖行走速度快,不損壞路面,能遠距離自行轉(zhuǎn)場及可快速更換多種作業(yè)裝置。國外輪挖的最高行走速度大多為25～40 km /h,國產(chǎn)的大多為20～35 km /h,貴州詹陽動力生產(chǎn)的高速輪挖JYL200G行走速度甚至達到了51 km /h[ ,而履挖的行走速度僅為3～5 km /h。同等級輪挖與履挖對比見表1,雖然輪挖工作效率不如同等級的履挖,但與履挖昂貴的轉(zhuǎn)移費相比,頻繁轉(zhuǎn)場時輪挖更具經(jīng)濟優(yōu)勢。正是以其機動、靈活、高效的鮮明特點,輪挖在市政維護工程、公路交通建設及快速搶修等物料挖掘、搬移方面得到了廣泛應用。

       據(jù)統(tǒng)計,在西方發(fā)達國家輪挖需求量約占挖掘機需求總量的12%強,有的甚至達到70～80% ,應用十分廣泛。而我國的輪挖僅為3%左右,故從世界范圍看,輪挖在我國的應用有待挖掘�？梢哉f,在未來幾年繼續(xù)擴大內(nèi)需,擴大基礎建設發(fā)展戰(zhàn)略,城市及小城鎮(zhèn)建設發(fā)展戰(zhàn)略的大環(huán)境決定了我國輪挖市場的廣闊前景。

       國外輪挖生產(chǎn)企業(yè)較多且品種齊全,如日立、小松、利勃海爾、卡特彼勒、沃爾沃、JCB、現(xiàn)代等。這些公司的產(chǎn)品基本體現(xiàn)了當今世界輪式挖掘機技術(shù)發(fā)展的最高水平,且很多著名公司都擁有其專有關鍵技術(shù)及元器件。而國產(chǎn)輪挖在品牌、品種上可選擇性都較少,這與國外“百家爭鳴”的現(xiàn)象形成鮮明對比。近年來,雖然國產(chǎn)輪挖在產(chǎn)量、品種和技術(shù)水平等方面都有了一定的發(fā)展,比如詹陽動力重工開發(fā)生產(chǎn)的高速輪挖填補了國產(chǎn)空白、實現(xiàn)了行駛速度的重大突破甚

至比國外同類機型還要略高一籌,但發(fā)展規(guī)模仍然很小,技術(shù)性能和工作可靠性還不能滿足國內(nèi)市場的需要,嚴重缺乏關鍵技術(shù)。總之國產(chǎn)輪挖與國外的相比相差較遠,其發(fā)展任重而道遠。

國外輪挖技術(shù)現(xiàn)狀

        國外生產(chǎn)輪挖的企業(yè)較多且產(chǎn)品系列齊全。國外輪挖主要企業(yè)和產(chǎn)品見表2,這些公司的產(chǎn)品基本體現(xiàn)了當今世界輪挖技術(shù)發(fā)展的最高水平,其中很多公司有其自主知識產(chǎn)權(quán)的關鍵技術(shù)和元器件。

       國外輪挖的技術(shù)特點主要有以下幾點:

       (1)液壓系統(tǒng)多采用負荷傳感系統(tǒng)或負控制系統(tǒng)。如日本小松帶有載荷感應和壓力補償閥的閉心式液壓系統(tǒng)(CLSS) ,德國力士樂公司推出的與負荷無關的流量分配系統(tǒng)(LUDV) ,德國林德推出的負荷傳感同步控制系統(tǒng)(LSC)等結(jié)構(gòu)原理與功能基本相同的液壓系統(tǒng),得到較好的應用。

       卡特彼勒、利勃海爾、沃爾沃、斗山、JCB 等公司也采用了負荷傳感系統(tǒng)。負荷傳感系統(tǒng)在液壓挖掘機上的優(yōu)點是顯而易見的,能實現(xiàn)對不同負載壓力的多個執(zhí)行元件同時進行快速和精確的控制,各個執(zhí)行元件互不干涉[ 5 ]。而負控制技術(shù)具有穩(wěn)定性好、響應快、可靠性和維修性好等特點,但在起始點為重負荷下作業(yè)時,因流量與負載有關,所以可控制性較差。由于成熟的制造技術(shù)和低廉的價格將會使負控制系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)揮作用,尤其在發(fā)展中國家還將繼續(xù)存在。

       (2)國外品牌輪挖多采用自主研發(fā)的電子節(jié)能及微機控制技術(shù)。JCB公司的AMS控制系統(tǒng)兼顧操作簡便與實現(xiàn)各種工況下的最高效率,系統(tǒng)設計有幾種功率模式,能按操縱手柄的運動和使用要求自動感知液壓要求并作出反應,使發(fā)動機功率與液壓功率匹配,并按需要激活動力提升和發(fā)動機自動怠速功能。韓國斗山的獨創(chuàng)新一代電子功率優(yōu)化系統(tǒng)( e - EPOS) ,為了操作簡便,工作模式僅設計為兩檔挖掘檔和挖溝檔 ;德國利勃海爾輪挖采用全部電子控制, LSC電子極限載荷調(diào)節(jié)專有技術(shù)具有壓力補償、流量補償功能,增強功率檔、高功率檔、經(jīng)濟檔、精細檔、超精密控制開關等多種工作模式選擇; LCD顯示、聲光報警、傳感器控制發(fā)動機空載怠速。這些控制系統(tǒng)基本具備了多種功率(工作)模式選擇、瞬時增力功能、發(fā)動機自動怠速、發(fā)動機工作自動預熱及過熱保護、實時電子監(jiān)控和自診斷功能,從而提高挖掘機的生產(chǎn)效率,降低油耗,改善司機作業(yè)環(huán)境,提高機器的自動化程度。

        (3)安全、舒適、可靠的駕駛室。采用帶有墜物保護結(jié)( FOPS)和傾翻保護結(jié)構(gòu)(ROPS)的駕駛室,安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅, 用隔音措施降低噪聲干擾。如邁克拉克采用了ROPS和FOPS的駕駛室、沃爾沃采用了獨創(chuàng)自帶RPOS的

Care Cab駕駛室。駕駛室將逐步實施ROPS和FOPS設計方法,配裝冷暖空調(diào)。全密封及降噪處理的“安全環(huán)保型”駕駛室,采用人機工程學設計的司機座椅可全方位調(diào)節(jié),以及功能集成的操縱手柄、全自動換擋裝置及電子監(jiān)控與故障自診斷系統(tǒng),以改善司機的工作環(huán)境,提高作業(yè)效率。

       (4)節(jié)能與環(huán)保。為提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和滿足日益苛刻的環(huán)保要求,國外輪挖企業(yè)主要從降低發(fā)動機排放、提高液壓系統(tǒng)效率和減振、降噪等方面入手。國外工程機械柴油機的發(fā)展已經(jīng)達到全電子控制的程度,采用直噴技術(shù),對柴油的噴射量和噴射時間進行控制,取消了傳統(tǒng)的機械式調(diào)速器和定時齒輪,簡化了柴油機結(jié)構(gòu)。目前世界上卡特和小松等廠家都開發(fā)了這種電子控制柴油機,它們的特性曲線可以由軟件來決定,對于不同的作業(yè)工況采用不同的特性,使柴油機的經(jīng)濟性、排放和動力性都達到最優(yōu)。日立建機推出的ZX130W型輪式挖掘機配置了符合歐Ⅱ和TierⅡ排放標準的發(fā)動機,采用超低噪聲型消音器并采用其他措施,降低了發(fā)動機的噪聲。

       (5)多功能化。輪挖愈來愈傾向于多功能化,除了挖掘和起重功能,還有液壓錘、鉗、剪、夯,鉆孔器,銑刨頭等,可根據(jù)工況更換不同的工作裝置。使用這些配套裝置可以降低成本,可以減少人工勞動,提高生產(chǎn)率。與此相適應的是挖掘機上配置了快速更換系統(tǒng),新型的更換系統(tǒng)能夠在正常液壓系統(tǒng)的壓力下自動快速更換各種裝置,司機無須離開司機室。如利勃海爾的組合快裝系統(tǒng)(Likufix2System) ,該系統(tǒng)包括一套組合液壓快裝裝置和一個自動轉(zhuǎn)換耦合裝置,利用該裝置操作員可以在幾秒鐘之內(nèi)完成工裝機械和液壓部分的轉(zhuǎn)換 ;邁克拉克用于遠程自動換接的自鎖式夾鉗快換裝置。

       由以上幾點可以看出國外企業(yè)在發(fā)動機燃料燃燒與電控、液壓控制系統(tǒng)、自動操縱、駕駛室條件改善、故障診斷與監(jiān)控、節(jié)能與環(huán)保等方面,進行了大量的研究,開發(fā)出許多新結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品,提高了輪挖的高科技含量,促進了輪挖的發(fā)

展。

國內(nèi)輪挖技術(shù)現(xiàn)狀

        國產(chǎn)輪挖主要有兩大類,一種是360°回轉(zhuǎn)的輪挖,采用專用底盤;另一類是只能有180°轉(zhuǎn)角的經(jīng)濟適用型輪挖,多是在農(nóng)用小型拖拉機上改裝而成。目前國產(chǎn)360°回轉(zhuǎn)輪挖的主要企業(yè)及其產(chǎn)品見表3( a) ,這些公司的產(chǎn)品基本體現(xiàn)了國內(nèi)輪挖技術(shù)的最高發(fā)展水平,如貴州詹陽動力重工開發(fā)出行走系統(tǒng)采用本廠配套件、獨特的三節(jié)折疊臂工作裝置的高速輪挖,山河智能的130W型輪挖等。

       國產(chǎn)零部件企業(yè)在工作油缸、回轉(zhuǎn)支承、駕駛室、座椅、電氣儀表等方面已經(jīng)取得了技術(shù)突破,基本可以替代進口產(chǎn)品,但是在工藝性和可靠性上還有待加強。

        而發(fā)動機、電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)中泵、閥、馬達等關鍵技術(shù),基本掌握在日本、德國等發(fā)達國家手中,所以國產(chǎn)輪挖的關鍵技術(shù)及元器件還需要依賴進口。國產(chǎn)柴油機的綜合性能指標還無法滿足需要,因此國產(chǎn)輪挖多采用康明斯、洋馬、道依茨、五十鈴、珀金斯等國外品牌;在液壓系統(tǒng)及元件方面,由于國內(nèi)企業(yè)基本上還不具備生產(chǎn)各種具有節(jié)能效果的多路閥和液壓泵的能力,所以液壓系統(tǒng)一般來自國外企業(yè),主要有德國Rexroth、德國L inde、日本NACH I和KYB、意大利Comer等企業(yè),行走馬達、泵、回轉(zhuǎn)馬達多來自德國、韓國、日本等,驅(qū)動橋多數(shù)來自德國ZF橋或意大利DANA橋。例如:(1)山河智能的輪挖130W采用康明斯水冷柴油機, Rexroth的LUDV閉心系統(tǒng)[ 13 ] ; ( 2 ) 徐州徐挖的XCG140W28 采用ISUZU柴油機, Rexroth的LUDV,采用意大利DANA公司輪挖專用橋。

       另一類是只能有180°轉(zhuǎn)角的經(jīng)濟適用型輪挖,是在農(nóng)用四輪拖拉機的基礎上增加挖掘工作裝置改制而成,其技術(shù)含量低、性能不穩(wěn)定、可靠性差。國產(chǎn)生產(chǎn)經(jīng)濟適用型輪挖的主要企業(yè)和產(chǎn)品型號,見表3 ( b) 。

國內(nèi)外輪挖差距和發(fā)展方向

國內(nèi)外輪挖差距

       縱觀國內(nèi)輪挖,盡管設計制造有了長足進步,但由于設計手段落后、開發(fā)制造投入嚴重不足等因素制約,同國外產(chǎn)品相比,在高可靠性、安全舒適性、外觀造型尤其電子節(jié)能及微機控制技術(shù)方面尚存在明顯差距。

       以下幾點是影響國產(chǎn)輪挖質(zhì)量和市場競爭力的重要因素 :

       (1)操作的平穩(wěn)性和可靠性較差,作業(yè)效率不高,產(chǎn)品質(zhì)量不高,外觀粗糙。在耐久性及可靠性上與國外先進挖掘機水平相比差距較大,國產(chǎn)挖掘機平均無故障時間及第一個大修期僅為國外先進產(chǎn)品的一半;

       (2)國產(chǎn)輪挖的發(fā)動機以及液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)中的關鍵部件基本依賴進口,生產(chǎn)成本高,制約了國產(chǎn)輪挖的競爭力;在智能化、電子控制、自動監(jiān)測、機電液一體化等方面還不能滿足國內(nèi)市場的需要;

       (3)可選輪挖品牌少,品種單一,缺少中型、微型產(chǎn)品,特別是接近20噸級的中型輪挖;

       (4)挖掘機的整體結(jié)構(gòu)、管路布局、配件選擇和發(fā)動機排放標準等方面存在不足,新產(chǎn)品試驗周期短,以致一些整機質(zhì)量隱患時有發(fā)生,滿足不了用戶要求。

輪挖的發(fā)展方向

       自90年代以來,挖掘機液壓系統(tǒng)和電子技術(shù)得到空前的發(fā)展,提高整機生產(chǎn)率和經(jīng)濟性能。毋庸置疑,挖掘機始終朝著高效、節(jié)能、提高舒適性和環(huán)保適應性的方向發(fā)展。

       (1)電液比例控制智能化電液比例控制在20世紀80年代就開始應用于工程機

械,不但可以省去復雜、龐大的液壓信號傳遞管路,而且使整個挖掘機動力系統(tǒng)控制更加靈活、方便。進入90年代后,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,電液比例控制進一步“智能化”,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:首先,某些液壓元件的設定參數(shù)將不再固定,可以調(diào)整,如壓力切斷值、泵轉(zhuǎn)矩、負荷傳感閥上的壓力補償器設定壓差等;其次,計算機能夠自動監(jiān)測液壓系統(tǒng)和柴油機的運行參數(shù),如壓力、柴油機轉(zhuǎn)速等,并能根據(jù)這些參數(shù)自動調(diào)整液壓系統(tǒng)運行參數(shù),如發(fā)動機轉(zhuǎn)速及泵輸出流量、轉(zhuǎn)矩等,控制整個挖掘機動力系統(tǒng)運行在高效節(jié)能狀態(tài);第三,能夠完成一般半自動操作,如平地、斜坡的修整等,對駕駛員的熟練程度要求低,但工作質(zhì)量卻能夠得到大幅度

提高;第四,能夠根據(jù)監(jiān)測到的運行參數(shù)進行故障診斷,便于挖掘機的維護。這些功能的出現(xiàn),能顯著提高挖掘機的性能。

       (2)柴油機電噴控制

       在傳統(tǒng)的機械調(diào)速柴油機上,噴油泵的循環(huán)供油量、噴油提前角等都受到轉(zhuǎn)速影響,使柴油機性能難以進一步提高。在柴油機上應用電噴控制后,可以使泵的循環(huán)供油量和噴油提前角不再受轉(zhuǎn)速的影響,從而使挖掘機能夠一直工作在最佳狀態(tài),而且加快了響應速度。借助計算機控制技術(shù),泵與發(fā)動機的匹配控制將進一步實現(xiàn)“智能化”,兩者之間的結(jié)合將更密切,實現(xiàn)一體化控制。在這種控制中,控制器能根據(jù)工作狀況的變化,自動對液壓泵和發(fā)動機進行調(diào)整,在保證輸出功率滿足工作需要的同時,使燃油消耗量最低,提高挖掘機的節(jié)能性和環(huán)保性。

       (3)負荷傳感技術(shù)繼續(xù)發(fā)展

        負荷傳感控制從20世紀70年代開始興起,各工程機械液壓件生產(chǎn)廠商紛紛推出了一系列有關產(chǎn)品。這種系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性和操縱性,即使不熟練的司機也能很快適應。比例流量分配閥的出現(xiàn)進一步推動了負荷傳感技術(shù)在挖掘機上的應用,使挖掘機操縱性進一步提高,解決了西方國家由于熟練司機的缺乏而帶來的問題。因此,負荷傳感控制挖掘機在發(fā)達國家的需求將會進一步上升。

       (4)向混合動力方向發(fā)展

       近年來混合動力液壓挖掘機受到工程機械領域的廣泛關注。目前國外一些挖掘機企業(yè),如日本的小松、神戶制鋼、住友和日立建機,德國的利勃海爾,美國的卡特彼勒,都已經(jīng)開展了混合動力液壓挖掘機的研究工作,同時能量回收也受到了業(yè)界的廣泛關注,成為下一代液壓挖掘機的一個重要研究方向。

       (5) 提高行走速度和安全舒適性,實現(xiàn)多用途化

       隨著液壓高壓化及液壓元件等技術(shù)的發(fā)展,輪挖的行走速度將會再上一個新的高度,以提高輪挖的移動性。目前國外輪挖最高行走速度已經(jīng)達到40 km /h,國內(nèi)詹陽動力生產(chǎn)的高速輪挖速度甚至達到51 km /h。駕駛室逐步采用ROPS和FOPS,降低發(fā)動機等的噪聲和振動,為操作人員營造一個更安全舒適的工作環(huán)境。使用不同的工作裝置,實現(xiàn)一機多用,提高生產(chǎn)率。

       鑒于我國的科學技術(shù)水平不能與國外相提并論,所以必須在產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品創(chuàng)新上下大功夫才能與國外大型公司競爭,特別是對柴油機、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等關鍵技術(shù)的研究開發(fā)。同時采用在中大型挖掘機上使用的先進

技術(shù),如負荷傳感系統(tǒng),提高整機的技術(shù)性能、作業(yè)效率和操作的平穩(wěn)性;以全球采購的方式,選購性價比更高的液壓和電氣元器件,減少初期故障,提高整機的無故障作業(yè)時間和可靠性。開發(fā)微型機,以滿足開溝、挖渠、埋線纜等窄小作業(yè)的需要;發(fā)展適應煤炭、水利、農(nóng)田、城建各方面需要的新品種小型輪挖。開發(fā)和配備多種附屬工作裝置,如挖掘斗、裝載斗、推土板、清溝斗、液壓錘、鉆孔機構(gòu)等。提高拖拉機改裝的小型輪挖的無故障作業(yè)時間、可靠性、可維修性和零部件的通用性,減少泄漏,降低售價,完善售后服務。

      由于國內(nèi)挖掘機技術(shù)與國際水平相差較遠,盡管能引進一些關鍵技術(shù),但核心技術(shù)不是錢能買來的,能買來的都是二流甚至是國外已淘汰的。因此國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)時,應著眼于長遠利益,積極投資研究液壓控制系統(tǒng)及元件、電子節(jié)能及微機控制、遠距離操縱系統(tǒng)等關鍵技術(shù),開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能化控制系統(tǒng)等,并將這些技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,應用于輪挖產(chǎn)品的升級換代,生產(chǎn)出具有競爭力的強勢品牌和系列化產(chǎn)品。