装载机再制造及电动化改装研究与应用

邓杰武

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

据中国工程机械工业协会统计：中国工程机械主要产品市场保有量由2012 年底的561 万～608 万台，上升到830 万～899 万台，十年增量超过250 万台，接近300 万台，目前行业估计挖掘机社会保有量250 万台，装载机50 万台。装载机作为使用最广泛的工程机械，由于工作环境及作业工况多变，结构复杂，每年退役报废的装载机数量巨大，这些退役的装载机大多数被报废拆解当做废刚进行处理，其中仍可利用的大部分价值被浪费掉，处理过程同时也消耗了大量的能源及人力物力。目前，再制造技术应用日益成熟，装载机整机再制造，已成为退役报废装载机价值回收、资源循环利用的重要途径。本文通过分析其主要失效模式，根据再制造标准，选择最合理的再制造修复技术及工艺，利用专业化的再制造方式，对其进行批量化修复、技术改造、性能提升。并以核心零部件再制造为基础，开展装载机整机再制造，使得损坏失效的装载机恢复原有性能。再制造产品比新产品制造过程节能60%，平均有70%的材料可以被利用，成本实际不到原来的50%，对环境的不良影响显著降低[1-3]。

1 装载机再制造概念

装载机再制造是以再制造技术研究应用及对其主要核心零部件再制造为基础，开展装载机整机再制造，使其整机技术性能达到或超过其原型新机，主要核心零部件包括但不限于下表1，为确保再制造整机性能，不进行再制造的零部件应替换新件。

表1 装载机再制造核心零部件清单

2 装载机再制造技术

2.1 核心零部件再制造

装载机核心零部件再制造是装载机整机再制造的基础，不进行再制造的零件应更换新件，核心零部件再制造的质量，也决定了整机再制造整机的产品品质及使用性能，部件再制造通过开展绿色清洗、无损检测、无损拆解、失效分析、表面工程修复等技术的研究与应用。通过完善的再制造流程和运用先进的表面工程技术及设备，对于原有零部件进行一次重新的制造，参照新品质量管理体系，逐步完善再制造流程。再制造产品性能不亚于新品，必须按照新品质量管理体系进行控制，否则难以达到性能要求，再制造生产过程包含预清洗、拆解、清洗、分选、修复、装配、试验、涂装等制造工序，流程如图1 所示。

图1 再制造工序流程

再制造与新品差别的过程主要是旧件的清洗、拆解、旧件检测、零件修复、改造升级及重新标志，其他过程与新品一致。

（1）旧件清洗。对回收旧件的油污、旧漆、锈迹等的清洗是再制造生产过程的重要环节，其清洗的效果直接影响后续零件的检验、评估、修复等的质量和成本，可以研究和应用节能、环保和高效的清洗技术，确保在再制造生产的经济性和环保性。主要应用的清洗技术包括高温分解除漆、抛丸、喷砂、超声波清洗、高温高压喷淋清洗等。

（2）拆解。拆解过程对旧件利用率有很大影响，应防止在拆解过程中产生二次损坏，尽可能保留有利用价值的零件，因此应研究各种无损拆解技术，设计保护零件专用拆解设备、工装及工具，并有效应用。

（3）旧件检测。严格按照零部件制造时的尺寸要求，对清洗后的零件进行检测鉴定，并对检测后的零件进行分类，除了采用常规游标卡尺、千分尺等量具检测外，同时对不易检测裂纹等缺陷的情况采用探伤等无损检测，提高再利用件的再准确性。常用无损检测手段包括超声波检测、磁粉探伤等。

（4）修复。修复包含表面工程技术、机加工、焊接等各种技术和方法，是提高旧件利用率和降低成本的主要途径。修复技术分为恢复尺寸法和修理尺寸法。恢复尺寸法能够确保零件的互换性，降低后续维修和使用的难度，但需要结合实际使用情况选择。常用的修复技术包括：冷焊技术、胶补修复技术、螺纹修复技术、超音速火焰喷涂技术、激光熔覆技术等。

（5）改造升级。再制造不仅是恢复原产品的性能，还兼有对原零部件及整机的技术改造的优势。再制造大部分产品都是退市产品。通过利用最新技术及设计，进行技术改造升级，在降低再制造成本的同时还能提升产品品质。

（6）重新标志。为区别再制造件与新件，采取零件重新编号、重打出厂编号及在产品包装上粘贴明显的再制造标志的方法，使物料号上跟新件有明显区分，便于用户识别和区分再制造产品，起到明确告知的义务，避免引起争议。

2.2 核心零部件再制技术应用

（1）超声无损检测技术。通过超声波与试件相互作用，对试件进行缺陷检测，利用超声波确定缺陷位置和大小，适用于金属、非金属和复合材料等多种制件的无损检测，穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行检测，灵敏度高，可以检测试件内部尺寸很小的缺陷，检测成本低、速度快，设备轻便，对人体及环境无害，现场使用方更便。如采用便协式超声波检测设备进行油缸焊缝、壳体类、结构件表面裂纹的检测等。

（2）磁粉探伤无损检测技术。利用磁粉与漏磁场的相互作用，产生的磁痕检测表面缺陷的无损探伤方法。 磁粉探伤可用于轴类、齿轮表面微小裂纹的检测，具有灵敏度高、操作方便、检验速度快、检验费用较低等优点，但仅适用于铁磁性材料。

（3）增材制造激光熔覆修复技术。此技术是一种非建模的增材制造工艺，通过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与基材表面薄层一起结合的方法，在基层表面形成与其冶金结合的耐磨材料熔覆层，达到零件表面修复及提升耐磨、耐腐蚀、耐高温及抗氧化等性能。

（4）增材制造超音速火焰喷涂修复技术。该技术是将气态或液态燃料与高压氧气混合后，在特定的燃烧室或喷嘴中燃烧，产生的高温、高速的燃烧焰流，金属粉末在载气的作用下被送到喷枪的出口处，进入燃烧火焰中，形成涂覆层，涂层致密，涂层与基体的结合力较高，可用于金属零件外圆、平面、内孔的喷涂。

2.3 装载机结构件再制造流程

为保证装载机结构件再制造后质量及性能，再制造前对结构件的失效分析和可再制造性评估尤为重要。装载机结构件主要失效形式为：安装孔位磨损变形、焊缝开裂、结构变形、裂纹、锈蚀、螺纹损坏等。

结构件再制造流程：附件拆除-清理-检测-修复方案制定-失效修复-总成检验-总成美化。

2.3.1 附件拆除

安装孔内是否有磨损、变形或残断的销轴，螺纹孔内是否有残断的螺栓，使用压装设备及工具将销轴、缸套、螺栓等取出。

2.3.2 清理

工程机械长期使用后的结构件会附着较多的油泥和杂物、油漆老化、表面锈蚀等，需对其进行清理。可使用高温高压清洗设备及大型抛丸设备进行清理，抛丸前装配配合面、螺纹孔应进行防护，避免损伤，为后续检测、修复工序做准备。

2.3.3 检测

使用量检具：正常拧入，拧紧；记录检测结果；对比检测结果。对比设计、工艺要求。监控量检具是否失效；量检具对结构件各关键尺寸是否能检测。使用探伤设备对本体及焊缝裂纹等缺陷进行检测，主要有超声波检测、磁粉探伤等；进行无损探伤检测、螺纹孔损坏检测，主要检测各螺纹孔是否有断螺栓、螺纹损坏。

2.3.4 修复方案制定与失效修复

针对失效问题清单制定相应的修复方案，可从工艺性、成本、质量、安全方面对可行性方案进行方案评估分析，选出最优方案。

（1）轴承、销轴孔位磨损、变形失效修复

修复方案一：将损伤内孔内、外表面油污、杂质、油漆、水分、铁锈等清理干净，如图2 所示为使用激光熔覆技术或堆焊技术,在需要修复的孔内进行均匀熔覆或堆焊，厚度根据损伤情况及加工余量要求确定，使用卧式双面镗床，进行定位校准后加工至设计尺寸要求，如图3 所示。

图2 孔位熔覆或堆焊修复

图3 孔位机加修复

修复方案二：用火焰气割将磨损、变形失效轴承座从结构件上去除，按设计图纸重新制作新的轴承座，使用定位工装，将新轴承座装入，调整达到设计要求并进行焊接。修复后将定位工装装入检测，要求工装能正常装入且配合间隙均匀。

（2）弯曲变形失效修复：检测弯曲变形的方向、变形量及弯曲变形凸点，用火焰气割局部加热凸点，加热后使用压力设备使其变形恢复，最终达到校直或校平的目的，变形修复过程中将定位工装装入检测，修复至检测工装能正常装入且配合间隙均匀。

（3）开裂、裂纹失效修复，使用无损探伤设备对本体及焊缝不易检测裂纹等缺陷的情况，检测找到裂纹的起止点、裂纹走向及深度，并对裂纹进行标记，在裂纹两端起止点钻止裂孔，防止裂纹进一步延伸，裂纹较深的在裂纹部位开坡口增加焊补强度，进行焊前预热和焊后保温，以减小焊接应力和裂纹产生。施焊过程中可采用小电流、分层、分段、焊补方向控制等方法减少焊接时的应力和变形。焊后检查有无气孔、裂纹，焊缝是否致密、牢固，并使用损探伤设备进行焊接质量检测。

3 再制造装载机电动化改造

3.1 再制造装载机的现状分析

再制造装载机主要是以老旧设备、发动机排放等级低，多为国I、国Ⅱ、国Ⅲ排放，燃油工程机械排放污染大，不符合国家环保政策，大部分地区会被限制使用或被强制报废，内燃发动机燃烧效率为35% ～40%，能源使用效率较低，造成能源的浪费，装载机每小时耗油量约15～30 L，使用成本高，同时噪音大，司机驾驶舒适度差，为对象解决旧设备排放问题的主要方式有：

（1）改制纯电驱动系统，可实现零排放，供电方式可选用动力电池供电或拖线式供电。

（2）改制升级满足国家最新排放标准的燃油发动机系统，以达到满足排放的要求。

（3）改制燃料电池动力系统，可实现零排放。随着三电产品技术逐渐成熟，动力电池价格逐步下降，电动化已成为主流，各大工程机械制造商，也陆续推出电动化工程机械产品。

从燃油发动机与电动机的特性曲线分析对比可以看出（图4、图5），电动机具有低速启动扭矩高的特点，更适合工程机械工况需求，峰值扭矩也远高于燃油发动机，加速性能好，加速平顺，且电动机驱动可取消液力变矩器，传动效率更高。同时燃料消耗成本，在整机生命周期成本中约占比60%以上，降低能耗成本对整机生命周期成本的降低作用巨大。使用二手设备进行再制造与电动化改装可有效降低制造成本，节约资源，解决客户因环保原因，大量状态良好、残值较高的，设备被强制报废的问题，给客户更多选择，随着电池价格不断下降，电池成本占比不断下降，二手设备再制造与电动化改装的价值更加凸显。

图4 发动机特性曲线

图5 电机特性曲线

3.2 再制造装载机电动化改造方案

电动改装要获得良好的匹配性能，对装载机铲装作业特点要进行充分的研究分析，装载机铲装作业流程主要为：放平铲斗挂档踩下油门加速冲入料堆使铲斗全力切入料堆阻力很大时，采用联合铲装法，即同时间段操作转斗上转及动臂提升，以达到铲斗铲装满物料铲斗装满后把动臂升到需要高度，挂2 档短距离运输物料到卸料点。

从装载机作业流程研究中得出，需驱动系统与液压系统需相互配合作业，驱动系统及液压系统作业时都有最大的功率需求，根据此作业特点，改装电动化方案设计时应予以考虑及满足。

改装方案一：发动机改制替换为电驱系统，保留利用原车传动系统及保留液力变矩器、液压系统、散热系统及其他系统，发动机原散热系统改为电机、动力电池扇热系统，其他部件按改装需求进行改制，特点：改动较小，较大限度利用原车部件，但需保留液力变矩器，柴油机外特性曲线与电机的外特性曲线有较大的差异，液力变矩器特性与电机特性差异也较大，匹配效率较低。

改装方案二：采用行走驱动及液压驱动分开进行驱动及控制的双电机模式，取消液力变矩器，其他部件按改装需求进行改制，特点：传动效率高，能耗低，但需重新设计制作变速箱及液压泵分动箱，改动难度较大。动力电池选用方面，可优先选用磷酸铁锂电池，磷酸铁锂具有安全、使用寿命长以及成本低廉的优点，是装载机设计应用的首选，其电压平台很平，能量发挥好；储量大便宜；几乎无热失控（热失控温度在800 ℃以上）[3]。

4 结语

装载机再制造是使用先进技术包括现代表面工程技术、先进的加工技术、先进的检测技术和现代生产管理方法对废旧装载机零部件，遵循再制造流程进行规模化、批量化再制造生产及兼有对原产品的技术升级改造，再制造后的产品性能达到原产品新品或超过新品，同时以核心零部件再制造为基础开展装载机整机再制造，对用户来说可以较大程度的降低投资成本，同时可以缩短现场维修时间，提高生产效益，对企业来说缩短了生产周期，降低制造成本，减少了辅助生产材料的消耗，同时实现产品从生产到回收的全生命周期管理，促进资源循环再利用，履行企业的社会责任。再制造具有能耗低、绿色低碳、综合制造周期短、制造成本低、资源可循环等特点，是发展循环经济的重要途径之一。