1.載荷分類
挖掘機作業時，剷鬥、鬥杆、動臂及機架承受挖掘載荷、制動載荷、附加載荷(操作不當和違章操作載荷)。
(1)挖掘載荷
鬥齒尖沿著弧線運動，對土壤進行剝離、剪切、擠壓，其切線方向力為挖掘力F，其承受的阻力FZ與挖掘力F方向相反，挖掘力F與切削角和切削速度成正比，如圖1所示。
這種挖掘載荷通過剷鬥、鬥杆、動臂傳遞至迴轉平臺、迴轉支承至機架，只要進行挖掘作業就必然產生挖掘載荷，傳遞路線如圖2所示。挖掘載荷會對工作裝置銷軸、軸套及迴轉支承造成磨損，並對鬥杆、動臂及機架結構件的焊縫產生不同程度應力。
(2)制動載荷
挖掘機在每次作業循環中，剷鬥離開地面上、下運動，由於剷鬥、鬥杆、動臂自身質量加上剷鬥內土石方的質量，尤其是鬥杆、動臂自上向下運動驟然停止時，必然產生較大慣性衝擊載荷。該慣性衝擊載荷施加到鬥杆、動臂上，會形成較大慣性衝擊力，稱為制動載荷。顯然，頻繁的制動，尤其是部分駕駛員習慣於快停造成的緊急制動力，會對鬥杆、動臂及整機相關部件造成很大沖擊載荷。
(3)附加載荷
操作不當載荷挖掘機進行挖掘作業時，剷鬥處於挖掘機下方溝槽內，駕駛員視線無法觀察到。此時若剷鬥初始位置不當，剷鬥底板外側頂在所挖掘的土體上，出現“壓土”現象。駕駛員誤認為挖掘遇到強大阻力FZ，仍加大油門甚至採用增壓方式進行挖掘，就形成因操作不當產生的附加載荷，如圖3所示。由此可見，操作不當的附加載荷造成的載荷遠大於正常的挖掘載荷。
違章操作載荷若挖掘現場遇到較大的建築構件或石頭，無法將其鏟裝至運輸車上，有些駕駛員會以快速下落動臂方式，用剷鬥撞碎建築構件或石頭，如圖4a所示。有些駕駛員拆除建築物時，會先全收鬥杆和全收剷鬥，再以快速伸鬥杆，用剷鬥底部撞擊牆體，如圖4b所示。
操作不當的附加載荷及違章操作載荷均屬於人為載荷，這2種載荷產生較大沖擊力的同時，都會對剷鬥、鬥杆和動臂造成很大損害。
2.受力分析
(1)工作裝置受力分析
我們對挖掘機做剷鬥挖掘、鬥杆挖掘、剷鬥與鬥杆複合挖掘、拆牆操作工況進行了受力分析。分析結果表明，無論進行單一動作還是複合動作，剷鬥、鬥杆、動臂均處於受力狀態;各種載荷越大，受力越大，工作裝置容易出現早期損壞、使用壽命縮短現象。
(2)液壓缸受力分析
挖掘作業時，動作液壓缸是實現挖掘的執行元件，而非動作液壓缸也必須“鎖死不動”與之配合，才能對土壤實現挖掘。
動作液壓缸受力取決於挖掘阻力的大小，其形成液壓力的上限通過系統主溢流閥控制，非動作液壓缸無杆腔或有杆腔油液壓力則是被動建立，與主溢流閥開啟壓力無關。動臂、鬥杆在某種位置作業時，會使動作液壓缸與非動作液壓缸內的油液壓力存在較大差異。由於挖掘機動臂、鬥杆較長，非動作液壓缸壓力往往遠大於動作液壓缸油液壓力，故該壓力要通過安全閥洩壓，以控制非動作液壓缸油液壓力持續升高，避免造成鬥杆和動臂過早損壞。
3.載荷的危害
挖掘載荷、制動載荷、附加載荷均可對挖掘機結構件及液壓缸造成損害。
(1)對結構件的損害
通常挖掘載荷屬於疲勞破壞，對結構件損壞過程相對緩慢，而制動載荷對結構件損壞程度相對較大。剷鬥、鬥杆及動臂自身質量及剷鬥內土石方質量在一定高度時具有較大勢能，當工作裝置在運動中操縱制動時會產生較大動能。該動能施加至工作裝置上，由大至小依次為:動臂下落制動，剷鬥裝滿土石且鬥杆全伸或全收時制動。這2種制動載荷對工作裝置的受力幾乎與挖掘載荷相同，而剷鬥或鬥杆從上彎到下彎的載荷較小。
操作不當的附加載荷和違章操作載荷則是衝擊破壞性受力，會造成挖掘機迅速損壞。違章操作通常只需1次或幾次致命衝擊，便會使動臂及鬥杆受力薄弱部位產生微小裂紋。這種微小裂紋在以後挖掘作業時緩慢延伸，最終會造成結構件開裂。若經常進行違章操作，會使已產生的裂紋迅速擴展，很快就會造成結構件損壞，如動臂開裂等，如圖5a所示。
(2)對液壓缸的損害
違章操作載荷還可造成工作裝置液壓缸活塞桿緊固螺母處螺紋被拉伸延長(此處截面最小、抗拉強度較低)，如圖5b所示。當活塞桿被拉長後，在進行挖掘操作時，油液在活塞處從有杆腔竄至無杆腔，來自於有杆腔的油液直接通過無杆腔回到液壓油箱，由此造成剷鬥挖掘無動作或動作緩慢。
操作不當載荷和違章操作載荷在剷鬥、鬥杆、動臂快速運動時產生較大的衝擊力，該衝擊力不僅會對挖掘機結構件、液壓缸造成直接破壞，還會造成重大安全事故。
4.控制載荷的方法
挖掘載荷及制動載荷可通過設置安全閥和單向補油閥加以控制。
(1)自動控制
減小挖掘機挖掘和制動載荷，可通過技術手段進行自動控制。圖6所示為某型號挖掘機工作裝置液壓回路原理圖，在剷鬥缸、鬥杆缸、動臂缸無杆腔或有杆腔至控制閥之間的油路上，並聯設置6個安全閥和單向補油閥組成的閥組，其性能、參數完全相同。當挖掘機挖掘或工作裝置制動產生較大載荷時，這6個閥組可起保護作用。無論挖掘機噸位大小，均可採用此種設置。單向補油閥配合安全閥補油以動臂下落制動為例，當控制油液推動閥芯向右移動後，動臂缸有杆腔進油，即動臂向下運動。若停止操縱動臂運動，即控制油壓降至接近於零時，閥芯在彈簧作用下恢復中位，動臂缸的A2口、B2口被閥芯切斷，無杆腔的油液無法回油，此時動臂缸開始制動。由於剷鬥、鬥杆、動臂質量較大，運動時所產生的慣性較大，造成動臂缸無杆腔形成較高油壓。當無杆腔及油路油壓達到安全閥調定壓力(36MPa)時，開始以恆定壓力卸荷，實現等減速緩衝下落。此時動臂不會迅速停止，會繼續下降實現緩衝。
在這一制動緩衝過程中，因動臂缸有杆腔容積較制動前開始增大，有杆腔油壓比卸荷迴路內的油壓小，形成負壓，所以單向補油閥可自動向卸荷迴路的動臂缸有杆腔補油，以防止緩衝未結束即發生“反彈”現象。該閥組組成的迴路，稱為制動緩衝補油迴路。挖掘機工作裝置其他動作進行制動時，所對應安全閥也需卸荷並單向補油閥補油。
挖掘工況單向補油閥補油以挖掘機收鬥杆挖掘為例，當操縱鬥杆缸無杆腔進油時，活塞桿受到挖掘阻力產生載荷F。此時剷鬥缸、動臂缸活塞桿分別受到壓力和拉力,即剷鬥缸無杆腔、動臂缸有杆腔油液同時建立起壓力。這2個油腔所建立的壓力並不相同，若有1個腔壓力達到安全閥設定壓力(36MPa)則先卸荷，實現工作裝置的過載保護。此時動臂缸有杆腔卸荷、無杆腔補油，或剷鬥缸無杆腔卸荷、有杆腔補油。挖掘機收鬥杆挖掘如圖7所示。
制動與挖掘工況安全閥卸荷及液壓缸運動變化的區別及共同點在於:制動工況時,動作液壓缸由運動狀態逐漸緩衝直至停止;挖掘工況時非動作液壓缸由靜止狀態轉變為微動緩衝再停止。雖然安全閥在制動與挖掘工況時所控制液壓缸運動的方式不同，但是其共同點均相同，即防止工作裝置過載。
(2)手動控制
目前操作不當和違章操作主要是依賴駕駛員正確的手柄操作來加以控制，暫無較好的解決對策。剷鬥切削角及切削速度主要依賴挖掘時駕駛員對發動機聲音的感覺和操作速度的觀察。違章操作的控制，通常需要靠駕駛員對挖掘機的瞭解和對施工現場的判斷能力。
5.工作裝置的非正常損壞
通過以上分析可知，在排除附加載荷的基礎上，安全閥可以防止挖掘或制動工況產生超載，並能有效保護工作裝置。但技術服務人員發現，某些型號的挖掘機工作裝置結構件依然會發生非正常損壞情況。此時，可通過以下方法，區分是挖掘機結構件原因，還是液壓系統原因。
(1)工作裝置結構強度過低
若在某一時間段，批量同型號挖掘機工作裝置結構件基本在相同部位出現開焊、裂紋和斷裂事故，應重點檢查損壞部位結構件設計或製造強度是否存在缺陷與瑕疵。
(2)安全閥壓力設定不合理
若某些挖掘機工作裝置結構件損壞部位不確定，損壞原因不詳，或提高結構件強度後損壞位置發生變化，結構件損壞仍得不到徹底解決，應分析結構件強度與安全閥開啟壓力的關係，或者分析液壓系統主溢流閥設定值與安全閥設定值的比值，以判定安全閥設定壓力是否過高。
此外，還可通過收集大量市場反饋信息進行分析、驗證，從中獲取同型號挖掘機工作裝置強度設計與安全閥最佳匹配參數，以獲得安全閥設定壓力值，從而提高挖掘機工作的可靠性。
本文選自《工程機械與維修》雜誌2017年第4期
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