沙漠型推土機特殊設(shè)計要求的探討

王清鍇，李榮緒，季有昌，金 丹

（1.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧272073；2.山東科技職業(yè)學(xué)院 機械工程系，山東 濰坊261053）

0 引言

在我國的西北地區(qū)、以及沙特阿拉伯、伊拉克、阿爾及利亞等國家，沙漠地區(qū)占其土地面積比大，其氣候特點是干旱、風沙大，高溫（部分沙漠地區(qū)的夏季溫度高達60℃左右）等，在這種惡劣的氣候條件及工況下，在國內(nèi)能正常使用的設(shè)備在此工況下往往不能適應(yīng)，易出現(xiàn)柴油發(fā)動機早期磨損[1]、水溫高、散熱器損壞、密封件易老化、電器件失效、液壓軟管破損漏油和工作裝置磨損較快等故障及問題，給使用單位及用戶帶來損失，因此有必要采取相應(yīng)的措施，以確保推土機在上述沙漠工況下（見圖1）正常作業(yè)。

圖1 沙漠型推土機施工場景

沙漠型推土機主要用于沙漠場所的開挖、整修、布線以及石油開采的輔助作業(yè)中等工況，除了要滿足普通推土機的基本功能外，還要有針對性地根據(jù)沙漠工況特點進行特殊設(shè)計[2-3]。本文是在分析沙漠型推土機工況特點的基礎(chǔ)上，相應(yīng)地提出了沙漠型推土機動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等主要部件的設(shè)計特點和特殊要求，為我國工程機械廠家開發(fā)沙漠型推土機提供參考。

1 沙漠型推土機的工況特點分析

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的推土機環(huán)境適應(yīng)溫度一般在-35℃～50℃之間，主要應(yīng)用于國內(nèi)普通的筑路、水利、礦山等土石方作業(yè)工況，可適應(yīng)沙漠條件下作業(yè)的推土機較少。對于長時間高溫、風沙大的沙漠工況，其作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象對推土機的影響具有以下特點。

（1）由于沙漠中干旱少雨，氣溫高、風沙大、沙子細而致密，會對發(fā)動機的進氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)造成危害，首先，細小的沙塵容易進入發(fā)動機空濾器并堵塞濾芯，沙塵顆粒質(zhì)地堅硬，容易造成發(fā)動機早磨等故障，使得發(fā)動機無法正常工作。其次，散熱器易被揚起的沙塵堆積堵塞，有時高速旋轉(zhuǎn)的沙粒擊打散熱器，造成散熱器葉片變形或泄露等故障。

（2）推土機用的各種油液的黏度會隨著溫度的升高而降低，不易在機體表面形成油膜，如液壓油快速變質(zhì)，潤滑油的潤滑效果變差等[4]，會加劇相關(guān)零部件的磨損，降低使用壽命，造成推土機的整體工作效率降低。

（3）長期的高溫環(huán)境容易造成液壓密封件（如O型圈、骨架油封）老化[5]，壽命變短而喪失密封作用，同時沙塵附著在橡膠軟管上或油缸活塞桿上，易出現(xiàn)腐蝕、磨損等故障。

（4）沙漠型推土機作業(yè)環(huán)境溫度高，紫外線強，電氣元件和線束的老化速度加快。由于長期的高溫環(huán)境下，易造成線路短路或?qū)щ娦阅茏儾?，同時會加快蓄電池電解液的蒸發(fā)[4]，縮短蓄電池的使用壽命。

（5）由于沙漠的密度大，推土機的履帶、臺車、工作裝置、終傳動殼體等外露零部件容易受到磨損，減小車輛部分零部件的使用壽命，另外，由于沙漠的抗陷系數(shù)較小，需要推土機具有較小的接地比壓。

（6）風沙大、環(huán)境溫度高不僅給推土機帶來嚴重質(zhì)量隱患，降低推土機的作業(yè)效率和使用性能，同時也會對操作人員身體造成嚴重傷害。

因此，在設(shè)計沙漠型推土機的過程中，針對這一特殊作業(yè)工況特點，為提高推土機在惡劣工況下的作業(yè)效率和工作能力，需要考慮沙漠環(huán)境中如防風沙、高溫適應(yīng)性和駕乘環(huán)境等多方面因素，才能設(shè)計出滿足沙漠工況要求的沙漠型推土機。

2 沙漠型推土機的設(shè)計要求

沙漠型推土機是一款特殊的推土機，通常是根據(jù)沙漠型推土機的工況特點，在普通推土機基礎(chǔ)上對部分零部件進行重新設(shè)計或改進，以滿足沙漠環(huán)境下的作業(yè)要求，因此，本文只對沙漠型推土機的特殊設(shè)計要求加以論述。

2.1 動力系統(tǒng)的設(shè)計要求

沙漠型推土機的動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機和散熱系統(tǒng)，在設(shè)計過程中要著重考慮發(fā)動機進氣系統(tǒng)的防塵性能，必須避免發(fā)動機因散熱器的堵塞而處于長時間高溫工作狀態(tài)，同時散熱器要具有可靠高效的散熱能力，來實現(xiàn)發(fā)動機及各系統(tǒng)的熱平衡，從而提高系統(tǒng)的使用壽命。

（1）為保證發(fā)動機的進氣量，并防止大量細小的沙塵進入機體而造成發(fā)動機部件早磨，需增大空氣濾清器容量及增加過濾等級，由普通的二級過濾增強為三級過濾或者采用專用復(fù)合多級空濾器，并且盡可能地將進氣口加高，防止沙塵的進入，提高進氣系統(tǒng)過濾沙塵的能力，同時增加額外一級空濾器，加大進氣系統(tǒng)的容灰量，延長濾芯保養(yǎng)周期。按照GB/T21156.1-2007的規(guī)定，保證在4K4S環(huán)境條件下具有8 h以上不需要保養(yǎng)的周期。此外，對沙漠型推土機的發(fā)動機，應(yīng)加注具有極強耐高溫性能的SAE20W-50機油。如圖2所示為設(shè)計的專用高置多級空濾，通過將發(fā)動機預(yù)濾器及空濾器安裝在駕駛室上部，遠離顆粒物聚集區(qū)。

（2）普通工況中，飛蟲、柳絮等異物在散熱器表面的積累會影響散熱，常規(guī)的散熱器護網(wǎng)即可起到明顯的作用；而沙漠環(huán)境更多的需要考慮大量沙石對散熱器的破壞，常規(guī)的散熱器護網(wǎng)作用有限，需要專用的網(wǎng)格式防沙護網(wǎng)，如圖3為設(shè)計的一種散熱器防沙護網(wǎng)。依靠高密度并有一定厚度的護網(wǎng)網(wǎng)格來減緩沙石移動速度，消除其對散熱器的威脅。

（3）在沙漠高溫環(huán)境下，為了避免發(fā)動機長時間在高溫系統(tǒng)下工作，滿足發(fā)動機及各系統(tǒng)的熱平衡，需配備加大散熱器，采用直通式芯體，并提高發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)速、加大風扇風量等，同時，發(fā)動機風扇可選用特殊結(jié)構(gòu)，如增加風扇反轉(zhuǎn)功能，通過轉(zhuǎn)換吹風及吸風模式，便于及時快速清除散熱器上的沙塵，加長散熱器維護保養(yǎng)周期，降低勞動強度。

（4）機罩前護柵設(shè)計為特殊的導(dǎo)流防護柵，將發(fā)動機風扇吹起的氣流通過前護柵后斜向上吹出，有效解決推土機正常作業(yè)時揚起大量沙塵，避免沙塵等雜物進入車體，損壞、堵塞散熱器，影響整機散熱性能。

圖2 專用高置多級空濾器

圖3 散熱器防沙護網(wǎng)

2.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求

沙漠工況下，環(huán)境溫度可達到40℃～60℃，甚至更高，推土機各部件也處于高溫狀態(tài)工作，高溫環(huán)境會使推土機液壓油中的空氣快速膨脹，產(chǎn)生氣穴，對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生危害，另外，高溫可使密封件老化及液壓油快速變質(zhì)，造成漏油及潤滑不良等故障。因此沙漠型推土機液壓系統(tǒng)有以下設(shè)計要求：

（1）密封件設(shè)計要求：高溫環(huán)境容易造成常規(guī)密封件快速老化，喪失密封作用從而導(dǎo)致液壓油泄漏，影響推土機使用。目前推土機常用的O形圈材料有丁睛橡膠NBR-1B、硅橡膠VMQ-1C和氟橡膠FKM-1E，丁睛橡膠的使用溫度為-30℃～+100℃，硅橡膠的使用溫度為-55℃～+180℃；氟橡膠的使用溫度為-20℃～+160℃。硅橡膠和氟橡膠都具有良好的物理機械性能和壓縮變形性能，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐高溫性能優(yōu)異，硅橡膠常用于3 MPa以下的低壓系統(tǒng)，而氟橡膠可適應(yīng)14 MPa左右的高壓系統(tǒng)。對于沙漠型推土機，為滿足其使用要求，可根據(jù)不同液壓系統(tǒng)的壓力，選用硅橡膠VMQ-1C或氟橡膠FKM-1E。

（2）橡膠軟管設(shè)計要求：橡膠軟管因其良好的柔性及方便安裝的特點，在推土機液壓系統(tǒng)中大量應(yīng)用，由于沙漠型推土機長時間處于高溫的作業(yè)環(huán)境中，橡膠管容易出現(xiàn)磨損、滲油、容易老化等問題，所以沙漠型推土機外露橡膠管要增加耐高溫的保護套。

（3）為降低液壓系統(tǒng)的使用溫度，變速轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)可以使用兩級冷卻，即在常規(guī)的水箱下部水冷的基礎(chǔ)上再增加一級新的風冷散熱器，并且高溫液壓油需先經(jīng)過新的風冷散熱器再經(jīng)過原水冷散熱器，以降低對水箱的熱負荷；同時為提高散熱效率，新的散熱器最好是鋁質(zhì)的。

（4）液壓油要采用具有良好的黏溫性和適中的黏度指數(shù)的油品，可選用SAE15W-40液壓油等，同時為防止沙塵對污染液壓油，需要對液壓油采取一定的防塵措施，如在液壓油箱的加油口、通氣口等處加裝高質(zhì)量的防塵濾網(wǎng)等。

2.3 電氣系統(tǒng)的的設(shè)計要求

高溫沙漠環(huán)境也會對推土機的電氣系統(tǒng)造成極大影響，如沙塵進入電氣插接頭處容易造成線路短路故障、高溫使電氣元件快速老化、另外強烈的光照以及揚起的沙塵會對儀表臺等部件造成破壞等，故沙漠型推土機電氣系統(tǒng)有以下設(shè)計要求：

（1）整車線束采用無縫式蛇皮管、T型分線器。無縫式蛇皮管密封性好，強度高，有較強的防水、防塵、防腐蝕能力，其防護等級達到IP67，可將灰塵等顆粒物和露水等完全隔離，有效保障整車線束的安全。

（2）蓄電池在高溫環(huán)境下，電解液蒸發(fā)速度會加快，要選用高可靠性的免維護蓄電池。

（3）采用高密封性的接插件及開關(guān)，防止因沙塵進入造成系統(tǒng)不穩(wěn)定、開關(guān)卡滯甚至線路短路等故障，外露的接插件要設(shè)計防護裝置等，以免磨損。

用肉眼鑒別結(jié)果表明，第⑩土層主要成分以鱗片狀云母、石英、長石為主，云母含量豐富，呈砂土狀。應(yīng)用透射偏光顯微鏡對⑩土層與下覆強風化層巖石成分進行對比鑒定，如圖2所示。土的鏡下鑒別為砂粒結(jié)構(gòu)，顆粒分選中等，磨圓呈次圓—棱角狀；土中顆粒成分主要包括云母，石英，長石及巖石碎屑，黑云母含量較多，定向排列，巖屑為變質(zhì)巖巖屑，巖屑中亦含較多的黑云母。下覆基巖鏡下鑒定為細粒變晶結(jié)構(gòu)，變晶礦物為石英(含量為60%)和黑云母(含量35%)，云母均呈連續(xù)定向排列，基質(zhì)結(jié)構(gòu)為細粒粒狀鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，定名為細粒黑云片麻巖。第⑩層為黑云片麻巖原位全風化產(chǎn)物，保持了原巖中云母定向排列特征，呈砂土狀。

（4）儀表箱采用金屬外殼的箱體來代替注塑箱體，注塑箱體很容易被沙粒等擊打損壞，導(dǎo)致儀表等電氣元件損壞，金屬箱體可有效的保護儀表，接插件等電氣元件。

2.4 底盤系統(tǒng)的設(shè)計要求

推土機的底盤系統(tǒng)包括臺車、履帶、支重輪等，其承受著整車的重量。沙漠型推土機的的底盤系統(tǒng)在設(shè)計時需要保證具有較高的耐磨性、較好的附著性能等。

（1）臺車支重輪兩側(cè)安裝全防護的支重輪護板，防止物料進入對其嚴重磨損，同時對終傳動內(nèi)殼體增加保護裝置（見圖4），減緩?fù)仆翙C作業(yè)時對其終傳動內(nèi)殼體的磨損，提高終傳動內(nèi)殼體的使用壽命。

圖4 終傳動外殼體保護裝置

（2）由于沙漠的抗陷系數(shù)一般較小，沙漠型推土機底盤系統(tǒng)要求具有低接地比壓，可考慮采用加長寬幅單齒履帶板，即增加沙漠型推土機的接地面積，又有利于牽引力的充分發(fā)揮。

（3）為減少與沙子等物料的磨損，可適當增大沙漠型推土機底盤的離地間隙并改進底盤結(jié)構(gòu)，如采用殼式底盤結(jié)構(gòu)（見圖5），能有效延長底盤部件使用壽命，同時通過性能更好。

圖5 殼式底盤結(jié)構(gòu)

2.5 駕乘系統(tǒng)的設(shè)計要求

（1）改善駕駛室與周邊接觸面的密封結(jié)構(gòu)（如采用迷宮密封等）[6]，同時駕駛室門、窗采用夾層鋼化玻璃等，使駕駛室具有良好的密封性，配置具有較強制冷功能的空調(diào)，在高溫環(huán)境下，保持駕駛室內(nèi)較低的舒適溫度。

（2）駕駛室標配專用的凈化增壓裝置（見圖6），保證駕駛室內(nèi)部空氣清新和流動性好，為駕駛員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。

（3）沙漠地區(qū)夏季白天高溫不適合作業(yè)，往往進行夜間作業(yè)，需在駕駛室上設(shè)計多個工作燈，為夜間施工提供良好的照明保障。

圖6 凈化增壓裝置

2.6 工作裝置的設(shè)計要求

由于沙漠型推土機的作業(yè)對象是各種沙粒，主要作業(yè)方式是將這些沙粒進行移位、堆積等，為實現(xiàn)較高的生產(chǎn)效率，需要配置容量大、耐磨性高的沙漠鏟，其鏟頭的橫向結(jié)構(gòu)呈U形，具有較強的集沙、運沙能力，特別適用于運沙距離較遠（50 m以上）時沙粒的堆積等作業(yè)[7]。沙漠鏟要采用高強度的封閉箱型結(jié)構(gòu)，其弧形板采用高性能的耐磨材料，并設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，確保其耐磨性和耐用度。

在鏟刀合理設(shè)計和選擇的基礎(chǔ)上，同時針對沙漠特殊工況，后部常裝有絞車[8]（見圖7），絞車安裝在推土機的后端，依靠卷揚來完成對物料的牽引作業(yè)，同時在危險地段作業(yè)時，備有絞車可以進行推土機自救。

圖7 絞車

2.7 其它設(shè)計要求

（1）沙漠型推土機的外觀零部件要具備足夠的防護能力，防止沙塵、沙粒的侵入，避免關(guān)鍵零部件受到?jīng)_擊和損壞。如對蓄電池、工作油箱設(shè)置防護罩等。

（2）沙漠型推土機上下車通道的扶手和踏板應(yīng)有足夠強度且防滑，避免操作人員在惡劣的環(huán)境中作業(yè)時受傷。

（3）沙漠工況環(huán)境惡劣，基礎(chǔ)設(shè)施不完善，沙漠型推土機可以配置跨接電纜線，推土機電池饋電時，可實現(xiàn)兩臺設(shè)備之間的電池充電，減少不必要的損失，這也是人性化設(shè)計的體現(xiàn)。

另外，為了提高沙漠型推土機的維護保養(yǎng)效率，可以考慮采用履帶自動張緊裝置、集中潤滑裝置等先進技術(shù)。

3 設(shè)計實例

本文提出的沙漠工況環(huán)境下的推土機特殊設(shè)計，已應(yīng)用在山推SD17-3 RS沙漠型推土機上（見圖8），經(jīng)裝機試制及對比試驗驗證（見表1），此機型的環(huán)境適應(yīng)性更強、可靠性更高，整機的使用壽命提高20%左右，整機的維護保養(yǎng)成本每年降低約25%，使用效果良好，目前已廣泛使用在內(nèi)蒙古庫布其沙漠光伏生態(tài)發(fā)電項目（見圖9）中等。

表1 山推SD17-3 RS沙漠型推土機升級前后的對比

圖8 SD17-3 RS沙漠型推土機

圖9 庫布其沙漠施工場景

4 結(jié)束語

本文分析了在沙漠型推土機特殊工況環(huán)境下，為滿足實際使用需求，沙漠型推土機必須對其動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、駕乘系統(tǒng)等相關(guān)部件進行優(yōu)化或重新設(shè)計，還需要注重對操作者保護及整機防護方面的設(shè)計，以克服極惡劣工況造成的不利影響。