履带式液压挖掘机操控性评价标准的分类及应用

王晓磊

摘要：阐述履带式液压挖掘机的操作评价中的注意事项，对挖掘机操作性评价的项目进行分类，根据在日常工作中碰到问题分析主要原因并总结规律，将液压挖掘机的评价标准分为操作的线性度、液压冲击、吸空、复合动作的协调性、舒适性5个方面，对每个方面测试规律进行总结，以确保调试工作能够更加规范、有效地进行。

关键词：挖掘；操作性能；评价方法；评价指标；分类

0   引言

近年来，市场上反应部分挖掘机操挖性能不好，操作手容易感觉到疲惫，尤其是在进行精细作业时更甚。针对整机舒适性、操控性等主观评价的性能方面，用户提出了更高的要求，主机厂为了更好的提升市场占有率及品牌口碑，已将样机研发过程中的操作性评价，作为挖掘机技术开发的重要课题之一。

目前，挖掘机主机厂家对操控性测试主要依据操作手的主观评价，并以仪器测试为辅助。受到人为感觉、作业方式及作业工况条件等多种因素影响，操挖性研究和评价条件复杂多变。至今为止行业仍没有形成公认的、统一的评价体系和评价指标[1]。根据市场反馈情况及厂内历史评价标准，本文将液压挖掘机的操作性评价标准分为操作的线性度、液压冲击、吸空、复合动作的协调性、舒适性五个方面，对每个方面测试规律进行总结，以确保调试工作能够更加规范、有效地进行。

1   操作线性度

液压挖掘机操作的理想标准为所得即所需，根据实际需求自由操作手柄，基本表现为操作的线性度。测试方法主要是缓慢扳动手柄，观察工作装置速度或测量液压缸位移再求导。手柄与液压缸速率占比关系简图如图1所示。根据图1把线性度分为3个阶段，其中所用数据仅做说明使用。

1.1   死区

在0～30%角度之间动手柄时，工作液压缸不动作，此区间即为死区。此区间主要是由于先导手柄产生的二次压力小，其推动阀芯开口面积的变化量小，导致阀芯建立的压力未能推动工作装置启动。死区主要是现实中为了防止司机的误操作，但如果死区过大则會导致后续的线性区小，操作时对液压缸的速度很难把握[2]。

1.2   线性区

30%～70%角度之间时，手柄与工作液压缸建立良好的线性关系，此区间即为线性区。一般挖掘机动臂提升、斗杆挖掘及卸载、铲斗挖掘动作，是由两个阀芯供油。第一阀芯先打开，随着先导压力继续增大，第二阀芯打开。如两个阀芯开口及打开压力配合不好，会导致工作液压缸活塞杆突然加速伸缩。一般情况下，司机在微调手柄时，希望在较大手柄动作下工作装置的动作幅度变化较小，测试表现为线性区的斜度小。此时速度对手柄角度敏感度低，所以在满足速度的前提下，线性区横坐标越大，操作者对机构的定位也会更加准确。

1.3   全速区

70%～100%角度之间时，即为全速区间。此时主阀的阀芯已经全部打开，手柄角度增加，液压缸速度也不会再变化。此区间如果横坐标占比过大，外在反应为单动作速度慢或线性区过小。

某挖掘机斗杆挖掘实测数据如图2所示。图2下部虚线表示先导压力。第一区域为死区，第二区域为线性区，包含斗杆第二阀芯开启的线性区域。第三区域由于操作失误，在液压缸行程到底时还没有测出全速区。

2   液压冲击

挖掘机手柄迅速掰动、松开及换向时，液压阀口突然打开或关闭，使油路变换方向，运动部件的惯性作用向整个作业装置传递，进而引起整车的冲击和振动。此时整机已定型，更改结构设计不太现实，为此通常采用优化液压系统来改善液压冲击。根据作用机理，一般把挖掘机的冲击可分为3类：

2.1   启动、停止及换向冲击

该类冲击表现为挖掘机工作中频繁更换各液压缸的动作方向，阀口开关动作占比很大，对操作性影响很大。试验方法是迅速扳动、回位及换向手柄，以操作手感受整机振动或压力测试为评判标准（液压缸不在行程末端）。

图3为根据GB/T 8104-1987《流量控制阀试验方法》测试的先导压力与阀口流量的曲线。液压冲击产生的基本原因是流量的剧烈变化，一般开启阶段采取对阀芯刚降低流量来降低液压冲击。

某挖掘机斗杆卸载动作实测曲线如图4所示。由图4可看出，斗杆液压缸有杆腔在启动时液压冲击很大。改动主阀阀芯对主机厂来说比较困难，为此在调试时，一般采用在先导处增加节流，降低阀芯打开与关闭速度，以达到减缓流量变化、降低冲击的目的。需要注意的是，若节流孔太小，冬天因为油温低会出现响应慢的问题。

2.2   液压缸末端冲击

液压缸末端冲击会使工作装置出现大幅度晃动，造成挖掘机履带前端抬起等机械冲击，从而对操作舒适性产生较大影响。同时末端冲击也会使活塞杆在行程末端与缸体冲撞，导致其结构损坏。为了避免此问题，一般在动作的液压缸端设置缓冲机构。

末端冲击试验方法如下：迅速扳动手柄，直至液压缸进入行程末端并保持憋压状态，让操作手感受机器冲击，或采用测量仪器，测量液压缸内压力峰值及缓冲时间。改善方法是联系液压缸厂家，改进缸体内的缓冲机构来实施。鉴于篇幅限制，本文对此不作讨论。

2.3   复合时的增减动作冲击

复合时的增减动作，是指单动作时突然增加其他动作，复合动作时迅速停止一个动作。动作数量的变化引起流量分配的改变，导致其液压缸进入的油液突然增大或减少，最终表现为冲击。通常用减缓流量的变化来降低冲击，如可把控制优先阀的比例电磁阀的信号增大斜率，或直接在优先阀处增加节流。虽然该冲击在性能表现上不太明显，但影响也不容忽视。

3   吸空现象

吸空现象是指动臂在作下降或斗杆作回收动作时，其在重力的作用下下降速度很快。如果主泵流量不能满足液压缸的速度要求，液压缸活塞杆会在特定位置后速度减慢或停顿。由于流量不足的原因导致的吸空，常形成于低挡位或复合动作中。挖掘机吸空常见动作如表1所示。

图5为某挖掘机铲斗挖掘+斗杆挖掘复合动作时，斗杆的压力曲线。由于使用的压力传感器只能测正压，斗杆无杆腔压力0MPa左右就可认为斗杆产生吸空现象。吸空过程中的负压危害包括以下两方面：一是使液压油中的空气析出气泡，气泡在高压下产生气蚀现象，又会对液压件产生损害。二是会降低挖掘机的作业效率。

各厂家对挖掘机吸空的标准有所不同，没有具体的标准，但至少在常用挡位不能出现吸空现象。对于挖掘机吸空现象，常用的改善途径主要是联系液压件厂家，改变多路阀阀芯回油背压或加大再生油路的比例。

4   复合动作协调性

挖掘机的作业工况复杂，常需要几个动作配合。而液压缸的流量分配依据各个液压缸负载及相应的阀口开度大小，主机厂理想的开发目标，是主阀能根据工况合理地分配共同动作时各液压执行元件的流量。挖掘机各机型常用工况分类如表2所示。

工况的复杂性使各个动作调试时困难异常，本文选择各车型都包含的平地与装车动作进行分析。调试过程中把以下两个动作作为首要目标：一是平地动作中的斗杆挖掘+动臂提升；二是装车动作中的动臂提升+回转。

4.1   平地動作

平地作业时动臂手柄全开，斗杆手柄配合动臂使铲斗齿尖相对地面做平行直线轨迹。此时对斗杆动作的灵敏性要求较高，斗杆速度调节需跟上铲斗位置变化。同时一般平地动作都是工作在低挡位状态下，低挡位时的低转速会使液压系统中流量较小。

平地动作由两泵供油，其中动臂负载最大，斗杆最轻。根据液压原理，液压油会分配到负载较轻的斗杆液压缸内，而流量不足使动臂阀芯不能建立需要的压差，导致斗杆速度快，出现“点头”现象。此时需操作手多次调整斗杆手柄。

4.2   装车动作

甩方动作包括挖掘、提升、卸载、回位4个阶段。根据操作手的经验，在提升阶段（动臂提升+回转）如果流量分配合理，会极大的提升作业效率。而操作手感受的两动作速度分配比例主观性较强，需要对比例指标进行量化来指导前期调试。

市场上小挖多用于挖坑，对动臂提升性能要求不高。中挖多用于装车，对动臂提升与回转性能要求较高。大挖常在用于在平台装高密度石块，对动臂提升性能要求较高。测试动作为空载状态下动臂与回转同时动作，在动臂达到行程时测量回转转动的角度。提升阶段速度分配的大致范围如表3所示。

总体而言，对于挖掘机复合工况的协调性问题，常用的改善措施是，联系厂家调整主阀芯开口或优先阀的开度，对流量科学优化。

5   舒适性

舒适性包含噪声、空调制冷、振动、驾驶室密封等多方面的要求。舒适性有国标要求，可根据直接按标准进行判定。

6   结束语

近年来，操作评价在挖掘机行业越来越被生产厂家的重视。根据市场反馈情况及厂内历史评价标准，本文将液压挖掘机的评价标准分为操作的线性度、液压冲击、吸空、复合动作的协调性、舒适性五个方面，对每个方面测试规律进行总结，以确保调试工作能够更加规范、有效地进行。

参考文献

[1] 李丛山.挖掘机液压系统控制性能分析[J].机械工程与自动化，2014（4）：150-151+154.

[2] 陈健，赵北，刘同文.挖掘机操作性能优化测试方法研究[J].工程机械，2018，49（5）：16-21+95.