工程機械零件定位優化綜述

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摘要：優化工程機械零件、部件、總成的安裝位置是關系到零部件性能和整機性能的重要因素之一。根據國內外學者針對工程機械零件定位優化的理論研究及實例，綜述零件定位的優化的定義、作用，以及在提升工程機械工作性能和可維修中性的作用，分析位錯原因并提出預防措施。總結定位優化方法，提出加強零件定位優化理論研究和實踐應用的建議。

關鍵詞：定位優化；作用；位錯；特點；建議

優化工程機械零件、部件、總成（以下統稱“零件”）的安裝位置（以下簡稱“定位優化”）是關系到零部件性能和整機性能的重要因素之一。1977年，原天津工程機械研究所（現天津工程機械研究院有限公司）編著的《單斗液壓挖掘機》一書中提到：“關于正確選擇工作裝置鉸點位置的問題，目前尚缺乏這方面系統理論分析。這是今后研制液壓挖掘機過程中需研究解決的一個重要課題。”40多年來，對于工程機械零件定位優化這道必答題，不少研究人員進行了理論和實踐探索，獲得了眾多研究成果。但是將定位優化作為一個專題進行系統地綜述的文章尚不多見。筆者根據多年的研究心得，總結國內外學者的研究成果，結合實例，對工程機械零件定位優化綜述如下，供同行參考。

1定位優化的定義

根據零件的性能及其在整機中的作用，按技術經濟和系統工程學等原則，對零件在整機中的定位（位置、方位）進行優化，以提升零部件和整機性能。

2定位優化的作用

（1）提高零件使用壽命：優化零件安裝、排列方式以延長其使用壽命，如我國研制的某型巖石輥壓機，對壓輥排列位置進行優化，采用深度交錯排列方式，使壓輥使用壽命提高了10倍。（2）零件換位，節約零件：工程機械的很多零件，如鏟斗、斗桿、動臂的鉸接件，以及履帶銷套、驅動輪、輪胎、內燃機缸套等多種零件，由于運行的方向性（如轉彎、側向力等），相對運動不是全方位的（360°），而是局部轉動或單向受力，會產生不均衡磨損（偏磨），所以每運行一定周期，將零件調換一定位置（換位），可防止偏磨，延長零件使用壽命。如推土機履帶節的銷套，正常使用壽命2500h，如果運行2000h，將銷和銷套換位（旋轉180°），得到新的工作表面，則可再運行1600～1800h，使用壽命可達3600～3800h，節約零件費用25%。日本將換位修理和維護稱為不耗料的低成本快速維修法。（3）提高作業效率：1）俄羅斯國立沃羅涅日技術大學的學者研究了鏟運機牽引裝置位置和結構對牽引力的影響，推導出的計算式中有牽引桿離地高度這一定位優化參數，計算表明，采用新型的牽引裝置（含牽引桿離地高度定位優化這一因素），可降低牽引裝置牽引力18%～20%，即增加了鏟土力，可提高鏟土作業效率；2）俄羅斯國立莫斯科建筑大學研究所的學者研制了液壓挖掘機挖掘作業的液壓傳動自動控制裝置，通過優化斗桿、鏟斗、動臂之間的鉸點位置，應用傳感器、微處理器等信息技術、微機技術及液壓傳動裝置，使液壓挖掘機在挖掘作業中動臂、斗桿、鏟斗之間的聯動角度處于精準、協同匹配的最佳狀態，從而降低了平整作業時間，提高了鏟斗裝滿系數和卸土效率，進而提高了挖掘效率，降低能耗78%；3）我國三一重工在三一SY215型挖掘機上安裝了數字化施工系統，利用高精度的GNSS信號精確計算挖掘機鏟斗斗齒尖位置，將斗齒3D定位誤差縮小到30mm以下，可與事先導入機載電腦的3D設計位置實時對比，實現自動化控制精確引導開挖，大大提高了精確開挖的施工效率；4）俄羅斯國立圣彼得堡建筑大學研發的推土機自動化作業裝置，在推土板安裝埋設式液壓傳感器，在油箱安裝氣動液壓儲能器等自動化信息傳輸和控制裝置，在推土時，能根據推土負荷，相應自動調節推土板的切削角（即推土板切削位置），優化切削位置使切削阻力降為最小，提高了推土效率；該裝置的另一個創新之處是推土板切削位置優化的動力源不耗用推土液壓能，而是利用推土液壓油的回油余能（儲存在氣動液壓蓄能器內）來驅動推土板切削角的調節。（4）提高散熱效率：資料表明，50%的發動機故障由散熱器散熱不良引起，而散熱器的布置（定位）方式，對散熱性能有很大影響。主散熱器的布置方式有單層并聯布置、雙層串聯布置、三層串聯布置及箱形布置等，當每層散熱器之間的安裝位置間距由10mm增加到100mm，散熱器組的散熱能力可提高2.6%～4.7%；當間距提高到200mm，散熱能力可提高5.1%～8.3%。散熱器的上述布置方式，各有長處和短處，可依機型等因素優選而定，如柳工CLG682H型輪式裝載機，依托仿真分析和試驗，將散熱器定位優化為單層橫置式，散熱性能提升5%，整機在環境溫度為50℃時仍可以正常運行。（5）平衡負荷：1）塔式起重機配重的作用是使塔身前后負荷平衡，減小塔身所受到的彎矩。傳統塔式起重機的配重固定在平衡臂尾部位置，配重對塔身的后傾彎矩不能隨吊重負荷不同而相應變化，當吊重負荷增大時，會使塔身承受較大的不平衡彎矩而產生疲勞破壞。德國JOST公司開發的塔式起重機，采用配重安裝位置可隨吊裝負荷變化而優化定位的液壓裝置，減小了塔身所受的不平衡彎矩；2）馬尼托瓦克公司研制的MLC650型履帶式桁架吊臂起重機采用了獨具創新的可變位配重（VPC）技術，可根據不同荷載的吊運作業自動將配重優化移動到最佳位置，既改善了臂架受力狀況，保證順利吊裝；又使客戶不需要購買、運輸和安裝多塊供調重用的配重塊。（6）降低噪聲：傳統散熱風扇的葉片安裝位置是等距布置的，風扇旋轉時產生的旋轉噪聲是以葉片通過頻率為基頻的離散頻率噪聲。研究表明，若將葉片的安裝位置改為不等間距，就能將離散頻率分布到寬頻帶上，降低峰值噪聲，但為使空氣流量和靜壓變化保持在合理范圍，葉片不等間距布置時應使葉片間距相對變化值不超過20%。（7）降低故障率：國機重工旗下常林公司生產的6t級裝載機原先導閥故障較多，占液壓系統故障率的40%。經故障分析，重新優化結構設計，選擇直徑為Φ6.4mm鋼球，可保證鋼球在閥座中的位置始終在兩閥座間滾動，提高了鋼球的受控性和定位的精確性，使先導閥的故障率下降32%。（8）提高綜合性能：優化零件位置作為機型的標志性參數可以提升整機綜合性能，如文獻[3]分析了以推土機驅動輪安裝位置的不同而形成的兩種推土機機型：即驅動輪系在機身下方的低驅動推土機和驅動輪系在機身上方的高驅動推土機。兩者的綜合性能，各有所長，亦各有所短。高驅動推土機與低驅動推土機相比，驅動輪及傳動系安裝位置高，履帶呈三角形布置，避免了驅動輪和傳動系統與地面接觸，減小了行走和作業時傳來的沖擊力和振動，加上采用鉸接式平衡梁和半剛性懸掛使傳動系承受的沖擊負荷小，磨損少，振動小，因而故障少，使用壽命可提高30%，相對高置的駕駛室振動和噪聲小，視野更開闊，作業高效；但整機結構較復雜，售價較高。低驅動型推土機，由于驅動系安裝位置低，所以整機重心低，穩定性好，結構較簡單，售價較低。一般而言，高驅動適合大型機采用，低驅動適合中、小型機采用。（9）其他：定位優化方法除在上述方面發揮作用外，在工程機械領域的很多方面還可發揮作用。如按人體工程學原理優化司機座椅的安裝位置及高度、傾角調節，可提高舒適度；菲亞特公司開發的V20型發動機，各種油液加油口、濾清器都布置在發動機的一個側面，便于檢查維護和修理；卡特彼勒公司開發的新型M系列平地機，取消了傳統的方向盤和操縱桿，將其功能集成布置到左、右兩個電液控制手柄上，既減小了操作元件占用的駕駛室空間，又減小了司機手部和腕部78%的操縱活動量，降低了司機的操作強度。

3位錯原因分析及預防措施

零件經定位優化投入使用后，并非一勞永逸，在機械運行中，偶件之間會產生摩擦磨損，固定件（螺栓、定位銷及鍵等）會因磨損、振動及腐蝕等原因而松動、脫落及折斷，導致零件的定位參考（平行度、傾斜度、同軸度、對稱度及間距等）與標定的定位參數產生偏差，即發生位錯（錯位、偏離），喪失了定位優化的作用，使機械操作失準，零件磨損加劇，作業效率降低，甚至發生機械事故。所以，定位優化的零件，在安裝時應按設計要求，精準安裝；對于活動劇烈的零件，如履帶式挖掘機的履帶板，在螺母、螺栓上預先涂上厭氧膠，再進行定位安裝，厭氧膠固化后在螺紋間隙中形成強韌塑性膠膜，使螺栓鎖緊后不易松動，可預防履帶板在運行中位借磨耗。另外在工程機械投入使用后，要按規程進行維護，對于重要的零件采用自動監測裝置實時監控其位置變動情況，或人工進行監測，對于發生位錯的零件，要及時修理或更換，以確保定位優化的零件發揮應有的作用。

4結束語

（1）從眾多實例可以看出，零件作為整機系統中的一個單元，其定位優化往往不能單獨發揮作用，還需要與系統中的相關零件或裝置等多因素協同作用。另外，定位優化也可以與形狀優化、結構優化、材質優化等優化方法集成運用，形成更好的系統集成效果，如散熱風扇的葉片同時采用葉片形狀優化和定位優化疊加可更好地提高散熱能力。所以，按系統工程原理和技術經濟分析綜合設計定位優化方案是重要的優化原則。（2）定位優化方法：1）經驗法———根據積累的工程機械運行和維修經驗，進行針對性改進，提出定位優化模式；2）借鑒法———可參照軍用機械、航空航天裝備、汽車等相近機械領域中的先進定位優化模式，移植到工程機械領域；3）在建立定位優化大數據云平臺的基礎上，推導出定位優化的數學模型，運用微機進行仿真、分析和計算，以模擬實際試驗代替傳統的多批次實物試驗，根據仿真結果優選出定位優化模式，可縮短設計周期，節約人力、物力、財力，加速成果應用。定位優化不需要更換零件，可使安裝簡單。定位優化是低成本、快速、高效提升工程機械性能的方法之一，應用范圍廣。從整機設計系統來看，定位優化是小細節，但從辯證的觀點來看，它具有“小細節、大作用”的特點。建議工程機械行業企業、研發機構等重視定位優化的理論研究并開發相關軟件，加強實際運用，持續創新使之取得更大成效，以低成本高效配置來提升工程機械性能。

參考文獻

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作者:章崇任 單位:廣西壯族自治區政協