工程机械零件定位优化综述

摘要：优化工程机械零件、部件、总成的安装位置是关系到零部件性能和整机性能的重要因素之一。根据国内外学者针对工程机械零件定位优化的理论研究及实例，综述零件定位的优化的定义、作用，以及在提升工程机械工作性能和可维修中性的作用，分析位错原因并提出预防措施。总结定位优化方法，提出加强零件定位优化理论研究和实践应用的建议。

关键词：定位优化；作用；位错；特点；建议

优化工程机械零件、部件、总成（以下统称“零件”）的安装位置（以下简称“定位优化”）是关系到零部件性能和整机性能的重要因素之一。1977年，原天津工程机械研究所（现天津工程机械研究院有限公司）编著的《单斗液压挖掘机》一书中提到：“关于正确选择工作装置铰点位置的问题，目前尚缺乏这方面系统理论分析。这是今后研制液压挖掘机过程中需研究解决的一个重要课题。”40多年来，对于工程机械零件定位优化这道必答题，不少研究人员进行了理论和实践探索，获得了众多研究成果。但是将定位优化作为一个专题进行系统地综述的文章尚不多见。笔者根据多年的研究心得，总结国内外学者的研究成果，结合实例，对工程机械零件定位优化综述如下，供同行参考。

1定位优化的定义

根据零件的性能及其在整机中的作用，按技术经济和系统工程学等原则，对零件在整机中的定位（位置、方位）进行优化，以提升零部件和整机性能。

2定位优化的作用

（1）提高零件使用寿命：优化零件安装、排列方式以延长其使用寿命，如我国研制的某型岩石辊压机，对压辊排列位置进行优化，采用深度交错排列方式，使压辊使用寿命提高了10倍。（2）零件换位，节约零件：工程机械的很多零件，如铲斗、斗杆、动臂的铰接件，以及履带销套、驱动轮、轮胎、内燃机缸套等多种零件，由于运行的方向性（如转弯、侧向力等），相对运动不是全方位的（360°），而是局部转动或单向受力，会产生不均衡磨损（偏磨），所以每运行一定周期，将零件调换一定位置（换位），可防止偏磨，延长零件使用寿命。如推土机履带节的销套，正常使用寿命2500h，如果运行2000h，将销和销套换位（旋转180°），得到新的工作表面，则可再运行1600～1800h，使用寿命可达3600～3800h，节约零件费用25%。日本将换位修理和维护称为不耗料的低成本快速维修法。（3）提高作业效率：1）俄罗斯国立沃罗涅日技术大学的学者研究了铲运机牵引装置位置和结构对牵引力的影响，推导出的计算式中有牵引杆离地高度这一定位优化参数，计算表明，采用新型的牵引装置（含牵引杆离地高度定位优化这一因素），可降低牵引装置牵引力18%～20%，即增加了铲土力，可提高铲土作业效率；2）俄罗斯国立莫斯科建筑大学研究所的学者研制了液压挖掘机挖掘作业的液压传动自动控制装置，通过优化斗杆、铲斗、动臂之间的铰点位置，应用传感器、微处理器等信息技术、微机技术及液压传动装置，使液压挖掘机在挖掘作业中动臂、斗杆、铲斗之间的联动角度处于精准、协同匹配的最佳状态，从而降低了平整作业时间，提高了铲斗装满系数和卸土效率，进而提高了挖掘效率，降低能耗78%；3）我国三一重工在三一SY215型挖掘机上安装了数字化施工系统，利用高精度的GNSS信号精确计算挖掘机铲斗斗齿尖位置，将斗齿3D定位误差缩小到30mm以下，可与事先导入机载电脑的3D设计位置实时对比，实现自动化控制精确引导开挖，大大提高了精确开挖的施工效率；4）俄罗斯国立圣彼得堡建筑大学研发的推土机自动化作业装置，在推土板安装埋设式液压传感器，在油箱安装气动液压储能器等自动化信息传输和控制装置，在推土时，能根据推土负荷，相应自动调节推土板的切削角（即推土板切削位置），优化切削位置使切削阻力降为最小，提高了推土效率；该装置的另一个创新之处是推土板切削位置优化的动力源不耗用推土液压能，而是利用推土液压油的回油余能（储存在气动液压蓄能器内）来驱动推土板切削角的调节。（4）提高散热效率：资料表明，50%的发动机故障由散热器散热不良引起，而散热器的布置（定位）方式，对散热性能有很大影响。主散热器的布置方式有单层并联布置、双层串联布置、三层串联布置及箱形布置等，当每层散热器之间的安装位置间距由10mm增加到100mm，散热器组的散热能力可提高2.6%～4.7%；当间距提高到200mm，散热能力可提高5.1%～8.3%。散热器的上述布置方式，各有长处和短处，可依机型等因素优选而定，如柳工CLG682H型轮式装载机，依托仿真分析和试验，将散热器定位优化为单层横置式，散热性能提升5%，整机在环境温度为50℃时仍可以正常运行。（5）平衡负荷：1）塔式起重机配重的作用是使塔身前后负荷平衡，减小塔身所受到的弯矩。传统塔式起重机的配重固定在平衡臂尾部位置，配重对塔身的后倾弯矩不能随吊重负荷不同而相应变化，当吊重负荷增大时，会使塔身承受较大的不平衡弯矩而产生疲劳破坏。德国JOST公司开发的塔式起重机，采用配重安装位置可随吊装负荷变化而优化定位的液压装置，减小了塔身所受的不平衡弯矩；2）马尼托瓦克公司研制的MLC650型履带式桁架吊臂起重机采用了独具创新的可变位配重（VPC）技术，可根据不同荷载的吊运作业自动将配重优化移动到最佳位置，既改善了臂架受力状况，保证顺利吊装；又使客户不需要购买、运输和安装多块供调重用的配重块。（6）降低噪声：传统散热风扇的叶片安装位置是等距布置的，风扇旋转时产生的旋转噪声是以叶片通过频率为基频的离散频率噪声。研究表明，若将叶片的安装位置改为不等间距，就能将离散频率分布到宽频带上，降低峰值噪声，但为使空气流量和静压变化保持在合理范围，叶片不等间距布置时应使叶片间距相对变化值不超过20%。（7）降低故障率：国机重工旗下常林公司生产的6t级装载机原先导阀故障较多，占液压系统故障率的40%。经故障分析，重新优化结构设计，选择直径为Φ6.4mm钢球，可保证钢球在阀座中的位置始终在两阀座间滚动，提高了钢球的受控性和定位的精确性，使先导阀的故障率下降32%。（8）提高综合性能：优化零件位置作为机型的标志性参数可以提升整机综合性能，如文献[3]分析了以推土机驱动轮安装位置的不同而形成的两种推土机机型：即驱动轮系在机身下方的低驱动推土机和驱动轮系在机身上方的高驱动推土机。两者的综合性能，各有所长，亦各有所短。高驱动推土机与低驱动推土机相比，驱动轮及传动系安装位置高，履带呈三角形布置，避免了驱动轮和传动系统与地面接触，减小了行走和作业时传来的冲击力和振动，加上采用铰接式平衡梁和半刚性悬挂使传动系承受的冲击负荷小，磨损少，振动小，因而故障少，使用寿命可提高30%，相对高置的驾驶室振动和噪声小，视野更开阔，作业高效；但整机结构较复杂，售价较高。低驱动型推土机，由于驱动系安装位置低，所以整机重心低，稳定性好，结构较简单，售价较低。一般而言，高驱动适合大型机采用，低驱动适合中、小型机采用。（9）其他：定位优化方法除在上述方面发挥作用外，在工程机械领域的很多方面还可发挥作用。如按人体工程学原理优化司机座椅的安装位置及高度、倾角调节，可提高舒适度；菲亚特公司开发的V20型发动机，各种油液加油口、滤清器都布置在发动机的一个侧面，便于检查维护和修理；卡特彼勒公司开发的新型M系列平地机，取消了传统的方向盘和操纵杆，将其功能集成布置到左、右两个电液控制手柄上，既减小了操作元件占用的驾驶室空间，又减小了司机手部和腕部78%的操纵活动量，降低了司机的操作强度。

3位错原因分析及预防措施

零件经定位优化投入使用后，并非一劳永逸，在机械运行中，偶件之间会产生摩擦磨损，固定件（螺栓、定位销及键等）会因磨损、振动及腐蚀等原因而松动、脱落及折断，导致零件的定位参考（平行度、倾斜度、同轴度、对称度及间距等）与标定的定位参数产生偏差，即发生位错（错位、偏离），丧失了定位优化的作用，使机械操作失准，零件磨损加剧，作业效率降低，甚至发生机械事故。所以，定位优化的零件，在安装时应按设计要求，精准安装；对于活动剧烈的零件，如履带式挖掘机的履带板，在螺母、螺栓上预先涂上厌氧胶，再进行定位安装，厌氧胶固化后在螺纹间隙中形成强韧塑性胶膜，使螺栓锁紧后不易松动，可预防履带板在运行中位借磨耗。另外在工程机械投入使用后，要按规程进行维护，对于重要的零件采用自动监测装置实时监控其位置变动情况，或人工进行监测，对于发生位错的零件，要及时修理或更换，以确保定位优化的零件发挥应有的作用。

4结束语

（1）从众多实例可以看出，零件作为整机系统中的一个单元，其定位优化往往不能单独发挥作用，还需要与系统中的相关零件或装置等多因素协同作用。另外，定位优化也可以与形状优化、结构优化、材质优化等优化方法集成运用，形成更好的系统集成效果，如散热风扇的叶片同时采用叶片形状优化和定位优化叠加可更好地提高散热能力。所以，按系统工程原理和技术经济分析综合设计定位优化方案是重要的优化原则。（2）定位优化方法：1）经验法———根据积累的工程机械运行和维修经验，进行针对性改进，提出定位优化模式；2）借鉴法———可参照军用机械、航空航天装备、汽车等相近机械领域中的先进定位优化模式，移植到工程机械领域；3）在建立定位优化大数据云平台的基础上，推导出定位优化的数学模型，运用微机进行仿真、分析和计算，以模拟实际试验代替传统的多批次实物试验，根据仿真结果优选出定位优化模式，可缩短设计周期，节约人力、物力、财力，加速成果应用。定位优化不需要更换零件，可使安装简单。定位优化是低成本、快速、高效提升工程机械性能的方法之一，应用范围广。从整机设计系统来看，定位优化是小细节，但从辩证的观点来看，它具有“小细节、大作用”的特点。建议工程机械行业企业、研发机构等重视定位优化的理论研究并开发相关软件，加强实际运用，持续创新使之取得更大成效，以低成本高效配置来提升工程机械性能。

参考文献

[1]天津工程机械研究所《单斗液压挖掘机》编写组.单斗液压挖掘机[M].北京：中国建筑工业出版社，1977.

[2]王小龙.低驱动与高驱动形成追本溯源[J].工程机械与维修，2016（10）：38－44.

[3]章崇任.德国工程机械特点分析[J].工程机械，2013（1）：45-47.

[4]章崇任.水在工程机械中的新应用[J].工程机械，2014（12）：47-49.

[5]章崇任.空气在工程机械运行中的特性研究[J].工程机械，2015（10）：44-46.

作者:章崇任 单位:广西壮族自治区政协