PH4100XPC 電鏟行走系統(tǒng)性能提升方案分析

張曉峰

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036006）

PH4100XPC 電鏟是美國P＆H 公司生產(chǎn)制造的一款大型礦用挖掘機(jī)，具有生產(chǎn)率高、作業(yè)率高、操作成本低等特點，是目前采礦業(yè)最為先進(jìn)機(jī)型之一。中煤平朔集團(tuán)公司于2008—2009 年為安太堡露天礦和安家?guī)X露天礦購進(jìn)并相繼投入運(yùn)行了7 臺4100XPC 電鏟，在2011—2012 年為東露天礦購置了4 臺4100XPC 電鏟。4100XPC 電鏟整機(jī)工作質(zhì)量約為1 600 t。結(jié)構(gòu)主要有行走系統(tǒng)（側(cè)機(jī)架、車體）、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)（回轉(zhuǎn)框架）、提升系統(tǒng)（大臂、提升滾筒）推壓系統(tǒng)（勺桿、鏟斗）[1]，位于電鏟下部的行走系統(tǒng)承載著整機(jī)的工作質(zhì)量并用來完成電鏟的行走。電鏟的車體起電鏟底座的作用，側(cè)機(jī)架固定在車體的左右兩側(cè)，起承載和控制履帶行進(jìn)裝置的作用。

1 行走系統(tǒng)的特點及參數(shù)

1）電鏟自身質(zhì)量大。4100XPC 電鏟作為履帶式行走設(shè)備其自身質(zhì)量為1 486 900 t（76＂履帶板）；1 491 400 kg（87＂履帶板）。

2）履帶較寬。提供不同寬度履帶板。由于設(shè)備使用環(huán)境不同要求對地壓強(qiáng)不同，為適應(yīng)電鏟所處工作面較低的壓強(qiáng)要求，采用較寬的履帶減小對地壓強(qiáng)，大型履帶板常采用不帶履刺的平底結(jié)構(gòu)[2]。

3）爬坡度較小。上下坡行走的最大傾角為20%，橫向行走的最大傾角為10%，不建議反向上下坡行走。在水平表面的反向行走應(yīng)盡可能避免，因為對履帶零部件的壓力太大。同時電鏟在傾角較大時發(fā)生溜車現(xiàn)象，斜坡上可能會發(fā)生傾倒或者損壞，導(dǎo)致嚴(yán)重的傷亡或者財產(chǎn)損失，一般情況不要超過最大推薦坡度[3]。

4）行走速度慢。大型電鏟挖掘機(jī)的行走速度較低，約為1.609 3 km/h。行走速度超過設(shè)計值后對行走系統(tǒng)“四輪一帶”的考驗是巨大的，同時對行走電機(jī)以及行走減速箱等總成件也會造成損壞，加速電鏟上部的震動，縮短相關(guān)部件的使用壽命[4]。

2 支重輪的承重能力計算

行走系統(tǒng)中16 個支重輪支撐起了整個電鏟的重量，也就是說支輪銅套是支重輪的主要磨損件，已知銅套直徑D 為216 mm，寬度h 為231 mm，電鏟的自重為1 600 t。根據(jù)壓強(qiáng)公式：

式中：p 為支重輪的平均壓強(qiáng)，Pa；F 為支重輪所承受的力，N；G 為電鏟重力，N；S 為16 個支重輪也就是32 個銅套的總面積，m2；Sm為每個銅套接觸面積，m2。

經(jīng)計算可得支重輪的平均壓強(qiáng)p 為9.82 MPa。當(dāng)電鏟出現(xiàn)極端工況，只有2 個支重輪受力的時候，也就是左右兩側(cè)受力時，則有支重輪的平均壓強(qiáng)的最大值pmax為78.56 MPa。為了減小支重輪的承重壓強(qiáng)，就要讓支重輪銅套的接觸面積增大。

3 現(xiàn)行走系統(tǒng)所暴露出的問題

3.1 行走系統(tǒng)故障率高

4100 電鏟自2008 年投入運(yùn)行以來，已使用了接近14 年，側(cè)機(jī)架結(jié)構(gòu)件開裂、磨損、變形嚴(yán)重。造成的一些支重輪安裝基孔損壞，需要在坑下電鏟作業(yè)面停機(jī)檢修，進(jìn)行臨時堆焊、鏜孔。甚至有一些故障較為復(fù)雜的檢修工作，不得不進(jìn)行側(cè)機(jī)架結(jié)構(gòu)件和“四輪一帶”部件的總成件整體更換造成故障停機(jī)時間長、采礦生產(chǎn)壓力增大，維修作業(yè)安全生產(chǎn)也存在較大安全隱患。據(jù)電鏟使用跟蹤，每個月4100 電鏟故障停機(jī)時間為15.58 h，行走系統(tǒng)的故障能達(dá)到12.21 h，占故障時間的80%，4100XPC 電鏟主要故障來自行走系統(tǒng)，可見行走系統(tǒng)的故障是較高的[5]。

3.2 支重輪使用壽命明顯縮短

國內(nèi)供應(yīng)商提供的支重輪新件尺寸大于P＆H圖紙尺寸，1754 電鏟于2019 年12 月更換支重輪，超過1.5 年后，右側(cè)支重輪尺寸仍然超過P＆H 圖紙尺寸，最大的測量值約超圖紙尺寸2%。

國內(nèi)供貨商的熱處理控制是否滿足質(zhì)量穩(wěn)定性要求，同側(cè)的支重輪如果尺寸和硬度不均勻，易造成各支重輪受力不均勻，載荷集中，各輪磨損值經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，磨損差異增大，更加惡化這種趨勢，同時也加劇了履帶板金屬流動現(xiàn)象。同側(cè)支重輪尺寸差異以1754 電鏟左側(cè)為例，最大最小測量值相差超過8%。3010 電鏟拆下的報廢支重輪直徑799 mm，遠(yuǎn)大于P＆H 圖紙尺寸787.4 mm。

3.3 側(cè)機(jī)架裝配基準(zhǔn)丟失

電鏟行走系統(tǒng)單側(cè)8 個支重輪、雙側(cè)16 個支重輪是要求在同一水平面、軸心在同一水平線上作業(yè)的，平均分?jǐn)傇O(shè)備整機(jī)的工作載荷的。相反安裝基準(zhǔn)不同心或不同軸會造成嚴(yán)重的部件偏磨和損壞事故?，F(xiàn)場更換支重輪時臨時性的堆焊和機(jī)加支重輪基孔。達(dá)不到設(shè)計要求的同心度、同軸度的要求，為部件的過度磨損、損壞留下隱患，使用壽命縮短。間接造成支重輪部件的使用壽命縮短，由于機(jī)械的關(guān)聯(lián)性，造成其他安裝配合組件的加速磨損和使用壽命達(dá)不到預(yù)期。據(jù)調(diào)查，拆卸下來的側(cè)機(jī)架結(jié)構(gòu)件目前是外委給承修商進(jìn)行。承修過程只是進(jìn)行了裂紋的焊修，機(jī)加面沒有進(jìn)行測量是否變形，是否滿足和車體貼合面的零間隙配合要求無法論證，所有軸孔堆焊后重新機(jī)加是沒有原廠設(shè)計圖紙對照，機(jī)加公差要求范圍也沒有標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。

通過對拆下的側(cè)機(jī)架對比發(fā)現(xiàn)的問題：①結(jié)構(gòu)鋼板、筋板、翼板、滑道、焊縫存在裂紋、磨損、錯位變形；②側(cè)機(jī)架“四輪”安裝基孔磨損，結(jié)構(gòu)鋼板、擋圈磨損，筋板變形、磨損；③與車體裝配貼合面機(jī)加面破壞受損、變形，嚴(yán)重超出原始設(shè)計尺寸公差范圍；④潤滑、氣路管路附件裝置存在斷絲、變形、損壞。

4 性能提升方案

4.1 側(cè)機(jī)架結(jié)構(gòu)件修理解決方案

借助OEM 廠家通過側(cè)機(jī)架整體檢修，對側(cè)機(jī)架來了整體校正處理，找回基準(zhǔn)滿足行走部件的安裝配合尺寸，具體實施方案如下。

1）原OEM 廠家通過參照制造標(biāo)準(zhǔn)對側(cè)機(jī)架結(jié)構(gòu)件進(jìn)行整體檢查評估。對現(xiàn)場臨時修復(fù)的超標(biāo)不合格處進(jìn)行恢復(fù)修理，特別是“四輪”的安裝基孔的尺寸恢復(fù)。

2）整體結(jié)構(gòu)尺寸按照原始制造設(shè)計圖紙，使用三維坐標(biāo)儀進(jìn)行測量檢查，對比原始設(shè)計制造尺寸，記錄偏差結(jié)果，對超出公差的部分，制定恢復(fù)設(shè)計制造尺寸修復(fù)工藝方案。

3）針對“四輪”結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，涉及支重輪、后惰輪、擋圈的變形測量、部件鋼板母材的更換、焊接的質(zhì)量和變形控制、安裝基孔的同心度、同軸度、安裝配合面的機(jī)加都嚴(yán)格控制在制造圖紙要求范圍內(nèi)，保證能夠滿足部件的安裝精度要求。

4）挖補(bǔ)、更換的部件鋼板，焊補(bǔ)的焊材全部使用符合原廠制造用的材料要求。

5）根據(jù)原始設(shè)計制造檢驗標(biāo)準(zhǔn)，出具檢驗合格報告。

4.2 支重輪性能提升解決方案

支重輪內(nèi)嵌2 個銅套，支重輪的兩側(cè)裝配有止推墊圈，側(cè)機(jī)架墊片是在側(cè)機(jī)架內(nèi)側(cè)焊接固定，起到調(diào)節(jié)支重輪與側(cè)機(jī)架內(nèi)側(cè)之間的間隙，減少支重輪的軸向位移。支重輪軸竄過側(cè)機(jī)架的內(nèi)外兩側(cè)，擋圈和擋銷以及開口銷都是起到了固定支重輪軸不發(fā)生轉(zhuǎn)動位移，進(jìn)而保證了支重輪的潤滑油脂沿著軸的內(nèi)孔進(jìn)入支重輪的內(nèi)部支重輪銅套延長備件的整體壽命。

現(xiàn)場使用中發(fā)現(xiàn)，止推墊圈采用銅質(zhì)材料起到保護(hù)支重輪和側(cè)機(jī)架內(nèi)側(cè)的作用，該備件供貨廠家的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，也就導(dǎo)致止推墊圈早于支重輪銅套磨損過限，導(dǎo)致支重輪發(fā)生了軸向位移也就加速支重輪和支重輪銅套的磨損。

因此，提出了對現(xiàn)有4100XPC 電鏟的支重輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造的方案，將圖1 中的止推墊圈和支重輪銅套做成1 個整體，即加厚了止推墊圈為支重輪提供更好的保護(hù)，支重輪銅套的延長增加了支重輪和軸之間的接觸面積，減少側(cè)機(jī)架軌道的磨損，提高支重輪軸保持力，并提高襯套和止推墊圈的壽命。止推墊厚度增加90%，止推墊接觸面積達(dá)到原來的110%，連續(xù)銅套設(shè)計將支重輪軸受力面積增加20%，一體化潤滑油槽增加支重輪銅套的使用壽命。

4.3 行走系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)升級

4100XPC 行走系統(tǒng)共有潤滑點22 個，其中支重輪16 個潤滑點，后惰輪2 個潤滑點，導(dǎo)向輪2 個潤滑點，驅(qū)動輪4 個潤滑點，為了保障潤滑效果，一般設(shè)置潤滑壓力值為15.51 MPa，而采用林肯注油器作為潤滑系統(tǒng)的主要潤滑元件，林肯為單線潤滑，控制原理靠注油器內(nèi)的彈簧控制每個潤滑點的油量，注油器剛投入使用的一段時間，彈簧的彈力確實能夠滿足潤滑點的油量，而隨著電鏟的日益使用不斷壓縮，導(dǎo)致林肯注油器的后來潤滑油量不足，不能真正保證電鏟行走系統(tǒng)的油量，導(dǎo)致行走系統(tǒng)中支重輪的磨損加速，使用壽命的縮短[8]。

為此，提出對潤滑系統(tǒng)的改造，將單線潤滑注油器改為雙線潤滑系統(tǒng)，靠油脂自身的壓力推動活塞活動，而活塞的2 個方向都會擠壓出同等潤滑量的潤滑脂，使得設(shè)置值為15.51 MPa 的油量始終是一樣的，每次活塞換向都會擠壓出等同量的潤滑脂，這樣就能恒定地保證潤滑效果，進(jìn)而能夠穩(wěn)定地保證支重輪的潤滑提升支重輪的使用壽命。

5 結(jié)語

通過對現(xiàn)有4100XPC 電鏟行走系統(tǒng)的使用跟蹤，發(fā)現(xiàn)行走系統(tǒng)故障率明顯偏高，高于同一礦區(qū)的其他型號的電鏟，而支重輪總成使用壽命低于預(yù)期壽命，那么多次的維修行走部件導(dǎo)致電鏟側(cè)機(jī)架的基準(zhǔn)丟失，現(xiàn)場維修作業(yè)惡性循環(huán)，基準(zhǔn)丟失支重輪更換頻繁，支重輪更換頻發(fā)基準(zhǔn)的丟失更加嚴(yán)重。為此只能尋求行走系統(tǒng)性能提升的技改方案，恢復(fù)側(cè)機(jī)架的基準(zhǔn)搭建好基礎(chǔ)，改進(jìn)支重輪的裝配方式從結(jié)構(gòu)上延長支重輪的使用壽命，改變系統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)更好地保證支重輪的使用。