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大型履带式推土机的发展

2014-7-20 08:34| 发布者: 巨车网| 查看: 2204| 评论: 0|来自: 矿业装备网站

摘要:   2012年7月,一台小松D575A-3推土机被交付给位于西澳大利亚的矿山用户,至此小松停止了这种巨型履带式推土机的生产,这也标志着一个时代的终结。1981年D575A的前身D555A在休斯顿举行的ConExpo 81上亮相,经历20世 ...
  2012年7月,一台小松D575A-3推土机被交付给位于西澳大利亚的矿山用户,至此小松停止了这种巨型履带式推土机的生产,这也标志着一个时代的终结。1981年D575A的前身D555A在休斯顿举行的ConExpo 81上亮相,经历20世纪80年代的经济衰退后于1991年发展为D575A-2并正式推向市场,20年多来一直荣膺世界上量产的最大的推土机头衔,2002年发展为D575A-3后仅仅10年就停产。在其他矿山设备尚未停下大型化的脚步时,履带式推土机却停滞不前甚至倒退。

  究其原因,在于履带式推土机不属于主要采掘设备,其工作也不需要与其他种类的设备进行匹配,因此大型化的需求不足。这就是为什么推土机巨头卡特彼勒一直未发展比D11更大的型号,也是小松D575A停产的根本原因,据称每销售20台D475A推土机才能销售出一台D575A,使得维持D575A的生产没有太大的必要。

D575A的前身D555A

小松D575A超大型推土机

  尽管如此,履带式推土机仍然是露天采矿不可或缺的重要设备,让我们回顾一下履带式推土机缓慢的大型化历程。1904年美国人霍尔特率先将履带实用化,最早的蒸汽拖拉机诞生了,并很快进入内燃机时代。经历了第一次世界大战后,拖拉机得到了长足发展,去掉了转向轮,外观和结构上已经非常接近现代的拖拉机。在应用上,农业、运输、土石方工程及军事等领域都开始发挥巨大的作用,同时很多企业也开始生产拖拉机以满足各种行业的需求。

  20世纪30年代以后,柴油机逐渐取代了汽油机成为拖拉机的主要动力装置,这使得拖拉机的性能得到了很大的提升。由于人们意识到履带式拖拉机具有卓越的地面附着特性和巨大的牵引力,一些企业开始生产推土铲附件,安装在拖拉机上使其变身为履带式推土机。推土铲与柴油拖拉机的结合逐渐使履带式推土机独立于拖拉机发展,农业拖拉机最终与推土机分道扬镳。早期的推土铲多由钢丝绳进行操控,由机体后部的取力器输出轴带动绞盘,并通过滑轮组带动前端的铲刀。早期也出现了液压控制的推土铲,但在二战结束之前,一直未能成为主流。早期比较有名的有勒图尔勒(LeTourneau)为卡特彼勒拖拉机配套的钢丝绳控制的推土铲以及比塞洛斯-伊利为万国收割机配套的液压控制的推土铲等。推土机在太平洋战争中发挥了重要作用。

早期的推土机

  二战以后,技术的进步和市场的需求推动了推土机的大型化。1946年卡特彼勒开始研发更大的推土机,1955年,正式推出了其最大的型号D9,该机工作重量超过25 t,配备一台卡特D353涡轮增压6缸发动机,飞轮功率达到213 kW,并很快增加到238 kW。此时液力变矩器已经成为可选项,可以大大降低劳动强度并提高机器的性能,工作装置上还是以钢丝绳控制为主,这主要是考虑了成本和可靠性的结果。

  D9系列推土机不断改进,在改进过程中功率和重量都不断加大,并在市场上取得了巨大成功,但卡特彼勒也并不轻松,3个主要竞争对手尤克里德(Euclid)、万国收割机(International Harvester)和阿里斯-查默斯(Allis-Chalmers)都在挑战卡特彼勒的地位。就在D9推出的1955年,已归于通用汽车(GM)旗下的尤克里德推出了著名的TC-12,该机重约30 t,配备两台GM的二冲程发动机,总功率272 kW,每台发动机都通过各自的变矩器和动力换挡变速器驱动一侧履带,从而取消了传统的转向离合器并实现了差速转向。

  1961年,万国也推出功率239 kW的TD-30推土机向卡特彼勒发起挑战,该机与之前的TD-20以及现在的柳工Dressta TD系列推土机一样,采用独特的双速动力转向系统,简而言之就是在每侧采用双速变速器取代转向离合器,以不同的档位控制两侧履带产生不同的速度而实现转向。

  而阿里斯-查默斯则在1963年推出HD-41,重达63.5 t,配备了康明斯VT-1710-C四冲程涡轮增压发动机,功率达到390 kW,成为当时最大的推土机。尽管面对竞争对手采用新技术或者更大推土机的挑战,卡特彼勒的推土机显得十分保守,但这些挑战都没有对卡特彼勒的市场地位构成实质的威胁,他们或者面临公司内部的问题或者疲于应对可靠性问题,卡特彼勒的推土机则凭着保守的设计和可靠的性能一直保持着市场优势地位。

阿里斯-查默斯生产的HD-41

  卡特彼勒靠着畅销的D9系列打天下,但是面对一些需要更大推土机的场合,D9也力不从心。为满足少量的需求,卡特彼勒采用四履带的解决方案,也就是采用两台D9串联或并联的办法。如两台依靠铰接串联起来的D9G被称为DD9G,前面一台的驾驶员依靠协调装置同时控制两台推土机以产生较大的牵引力;而两台并联的D9G则共用一个大型推土铲,被称为SxS D9G,可以提高工作效率。

串联和并联使用的CAT D9

  随着大型基建项目越来越多,露天矿山规模也越来越大,市场对更大推土机的需要也与日俱增,两台推土机合并成一台并不是很好的解决方案。同时从20世纪60年代末起,公司还面临着另一个竞争对手小松的挑战。在这种情况下,卡特彼勒决心研发下一代的大型推土机,这就是D10项目。公司对D10提出了5个主要目标:高效率、模块化、维护简单、操作高效和方便运输。基于对市场的分析研究和自身的技术储备,卡特彼勒选择了在常规基础上革新的方案。常规是指仍然采用单发动机、双履带、液力机械式传动以及离合器转向的方式,而创新方面主要体现在底盘行走部分以及由此带来的传动系统布置的改变。

  D10的行走部分采用了高架链轮的设计,这是源于1965年卡特彼勒的一位工程师的三角履带设计,但是从本质上来说这并不是一项独创的发明。在一战期间,协约国用于牵引火炮的拖拉机启发了军事工业,以拖拉机为基础诞生了坦克及其他履带式装甲车辆,但是军用车辆要求高速行驶性能而并不要求牵引能力,因此军用履带式车辆很快发展出悬挂系统以满足高速行驶的要求,悬挂系统的出现使得行走架与车体分离,驱动链轮自然也与行走架分离。而工程机械特别是推土机无法使用悬挂系统,因为弹性元件会吸收铲刀提升或下压的能量,无法充分发挥工作效能。但是刚性的行走系统在岩石地形上附着性能不好,同样影响性能的发挥,因此卡特彼勒将这种类似于军用车辆悬挂系统的非弹性悬挂设计应用到D10上,支重轮并不固定在行走架上,而是两个为一组用摆臂连接行走架,可以自由摆动,地面不平时也可以紧贴履带,使履带尽可能地接触地面,从而改善附着性能,降低接地比压。由于没有弹性元件,并不会影响铲刀的性能。

  驱动链轮与行走架的分离也使得行走架与车体的连接不再依靠驱动链轮和平衡梁,而是依靠枢轴和平衡梁,枢轴位置前移使得行走架的摆动幅度更大,进一步改善了地形适应能力。驱动链轮与行走架的分离和高架也使得传动系统的布置发生变化,并使模块化成为可能。常规推土机其传动系统都位于驾驶室下方,拆卸、维修都不方便,D10采用一个铸造的后桥箱连接主机架,并将动力换挡变速器后移至后桥箱之后也就是车体之外,输出轴与输入轴采用套管轴的方式在同一侧将动力传递给中央传动伞齿轮,继而通过转向离合器和制动器将动力传递给两侧的终传动链轮。这样,变速器和两个终传动链轮都成为容易拆卸的部件,拆下终传动链轮后,也很容易拆下安装在上面的转向离合器和制动器。这种新颖的设计带来的好处还使得整个传动系统更紧凑,从而减少车体长度,降低结构重量,驾驶室的位置也更高,改善了视野。

  在工作装置上,D10采用了近乎垂直的提升油缸,使得铲刀受力更直接,铲刀也更靠近车体,此外为简化结构,采用一根横向拉杆为铲刀架提供横向定位,倾斜油缸的液压管线也通过此杆,避免了不必要的磨损并使维护更简单。

为验证高驱动设计,卡特彼勒的工程师在1970年改装了一台D9G,为其配备了高架链轮和非弹性悬挂的行走架,经过两年的试验,结果令人满意。根据试验的数据,1973年开始建造D10全尺寸样机,D10的原型机X1于7月完成,随后X2、X3和X4相继问世,这些原型机在伊利诺伊州和亚利桑那州的试验场进行了数年的秘密试验和改进。为了生产全新的推土机系列,卡特彼勒于1976年在东皮奥里亚工厂新建了SS厂房,并于1977年未完全完工时就临时生产了10台D10样机送到全美若干场地进行实地试验。

  1977年9月,卡特彼勒正式发布了划时代的D10,并于1978年投入批量生产。D10的推出轰动了业界,订单纷至沓来。D10不仅是工程与制造的奇迹,它的及时出现不仅在名义上也在实质上保住了卡特彼勒在推土机领域的霸主地位。尽管此时D9系列已发展到D9H,功率达到306 kW,但仍未赶上竞争对手,特别是小松在1975年推出了D455A,功率达到了463 kW。D10配备一台12气缸卡特D348涡轮增压发动机,功率达到522 kW,工作质量达86.7 t,一度成为当时世界上最大的推土机。D10凭借强大的功率和高效的传动、行走系统成为当时最强大最高效的推土机,其工作效率比D9H高出50%,获得了用户的普遍认可,特别是其单齿松土器更是威力强大。当不需要配备松土器时需要在后部安装近3 t重的配重,该配重还起到保护暴露在外的变速器的作用。

作为厂标的D10

  高驱动的巨大成功使得卡特彼勒着手将该技术应用到小一些的型号,很快在1980年到1981年间D8L和D9L问世了,而老式的D8K和D9H则随之停产,虽然看起来似乎是D8和D9的最新型号,但其实除了发动机功率和吨位这些数字上有一定继承关系外它们与老型号并没有什么太多关联。

  3款大型高驱动推土机成为卡特彼勒的旗舰产品,但卡特彼勒并没有停下创新的脚步,当时在中小型推土机上已经出现了静液传动的方式,如利勃海尔的PR系列推土机,该技术完全取消了传统的变矩器、变速器和转向离合器,使用液压马达来驱动两侧的履带,大大提高了灵活性和操纵性能。对此,卡特彼勒一方面发展自己的静液传动技术,一方面依然借鉴军用车辆的经验发展用于大型推土机的技术。当时美国M1主战坦克采用了液压转向技术,极大地改善了车辆的转向性能及操纵性能,转向时不仅不损失功率,而且可以实现中心转向。卡特彼勒也研发了类似的液压转向技术,其原理与M1坦克的基本相同,通过取消转向离合器,代之以在后桥上增加两个行星排,以及一个转向液压马达,当液压马达转动时,通过两个行星排分别向两侧履带施加大小相同但方向相反的两个扭矩,实现不切断动力的差速转向。驾驶员只需操纵一根控制液压马达的手柄,取代了两个转向离合器手柄,大大简化了操作也提高了转向的精确度。

  卡特彼勒首先将液压转向技术应用到40吨级推土机上,这就是1987年全新推出的D8N,该型号和D8L没有继承关系,因为出现了D8N,D8L只好升级为D9N,而D9L则升级为D10N,D10也升级为D11N,命名的改变给很多人造成了很大困惑。此时的D11N换装了8气缸的卡特3508 DITA发动机,功率达到574 kW。同时也更大更重,履带链轨间距、行走架长度都增加了,工作质量也提高到93.4 t。

  而此时,竞争对手中,除了原万国的TD系列在德莱塞旗下维持外,只剩下小松,小松的D455A在1986年发展为D475A,功率达到552 kW,工作质量达到90.4 t。D11N不仅仍然比D475A稍微大一点,更重要的是其市场份额仍处于领先的地位。

D11N的推土铲

  卡特彼勒的N系列推土机在1994~1996年间发展为R系列,总体来讲变化不大,改进主要是发动机功率和工作重量的增加以及一些细节的优化。其中D11R配备卡特3508B EUI发动机,使用电控单体喷油技术,提供了精确的燃油喷射,可以改善燃烧状况,减少启动白烟和黑烟,功率也增加到634 kW,工作重量达到105 t。采用的计算机监控系统CMS可以记录运行数据以便技师进行诊断。柴油箱形状也发生变化,开槽以改善后视视野。此外由于采用电控离合器,长杆式的转向离合器操纵杆改为指尖控制,加上变速器控制的集成,实现了手不离杆,简化了操作。

  紧随着D11R的推出,D11R CD(Carry Dozer:推载型)型也面世了,该机型采用特殊形状的大容量铲刀,能尽可能多地将物料留在铲刀中,避免流失,满足长运距的需求,同时,采用两个加长的倾斜油缸,同时伸出时可以将物料推离铲刀。CD型也是对小松“SD超级推土机(Super Dozer)”的回应。

  2004年起,R系列开始升级为T系列,其主要变化是发动机,3400系列和3500系列被采用卡特ACERT技术的C系列发动机取代,一方面提高燃油效率,另一方面也是为了满足越来越严格的排放法规要求。其中D11T/D11T CD于2007年推出,发动机改为C32,功率没有变化,但是满足了美国环保局Tier 2排放标准。现在,配备了相关后处理设施的D11T已经可以满足Tier 4最终阶段排放标准。

  由于矿山上推土机经常在高边坡下或松散的堆积体上进行作业,发生事故也在所难免,为了减少对驾驶员的伤害,视距内遥控正逐渐流行起来,卡特彼勒现在提供相关的技术和设备,驾驶员可以在车外安全地带用遥控装置对推土机进行操控。在2013年美国犹他州宾汉姆峡谷铜矿大滑坡发生后,力拓组织了10余台推土机用于打通进入矿坑的道路,在滑坡堆积体上作业充满危险,遥控的卡特D11T推土机发挥了巨大作用,驾驶员们无须心惊胆战就轻松完了任务。

发生事故

  尽管过去一直有传闻卡特会发展更大的型号,但是卡特并没有这样做,毕竟市场需求太小,小松D575A的停产更是使这种可能性消失殆尽。毕竟企业追求的是利润最大化,而不是片面追求产品最大。

  小松自20世纪30年代仿制卡特彼勒的拖拉机迈出第一步以来,推土机也一直是其重要的产品线,战后的日本人凭着一股不服输的精神,逐渐恢复了生产并逐步提高产品质量。到60年代其推土机的质量和可靠性已经非常高了,并不断跟踪学习国外先进技术同时与自主创新相结合。1965年,小松D250成为其向大型推土机发展的先驱,1969年D355A问世并远销到澳大利亚的矿山,开始逐渐挑战卡特彼勒。如前所述,在D10未正式推出的1975年,D455A使得小松首次有超越卡特彼勒的产品,而1981年展示的D555A虽未正式投产,但显示了小松不可小觑的实力。

  20世纪80年代,小松的推土机日趋成熟,并凭借低廉的价格和日元汇率的优势抢占了卡特彼勒相当大的市场份额,由D455A发展而来的D475A也成为和D11N同一级别的竞争对手。20世纪90年代以后,由D555A发展而来的D575A正式推向市场,成为量产的最大推土机。这一时期,小松也将借鉴来的技术加上创新应用到大型推土机产品中,如可以摆动的支重轮架,功能类似于卡特彼勒的自由摆动支重轮架,但幅度较小,小松称之为X型轮架,2000年以后,更是将除D575A外的产品由X型轮架改为K型轮架,几乎与卡特彼勒的自由摆动支重轮架雷同。

  与支重轮架的问题类似,同一时期,小松也发展了液压转向的技术,并应用到与D8N/R/T同一级别的D155AX,以及与D9R/T(D9R的晚期产品也开始改用液压转向)同级别的D275AX上。虽然原理完全相同,但布置截然不同,在卡特彼勒的产品上液压马达是与后轴垂直布置的,而小松的产品则是将液压马达与后轴平行布置。

  在采用离合器转向的D375A、D475A和D575A上,小松也在2000年后也采用了电控离合器,不再需要扳动长长的手柄,小松也将转向与变速器控制集成到一个手柄上,类似挖掘机手柄,形式上与卡特彼勒的完全不同。

  总之,在没有了D575A之后,从某个角度看,小松的推土机产品线像极了卡特彼勒的产品线,简直就是没有高驱动的卡特彼勒,几乎每个卡特彼勒的型号都能在小松产品线中找到对应型号,技术路线也十分相似,除了高驱动带来的模块化和变速器后置问题。虽然小松也声称自己实现了传动系统的模块化,但从方便性的角度来看显然不如卡特彼勒。

  为什么小松不采用高驱动?这个问题我们不得而知,也许早期存在知识产权的问题,也许小松认为高驱动并不能给小松带来想要的结果。对于高驱动,有一种观点认为,高驱动带来驱动齿圈与链轨节接触数目变少,导致驱动齿圈与链轨节销套磨损严重。从笔者的实际经验来看,高驱动推土机的确存在齿圈和销套过度磨损的情况,但主要原因还是其行驶速度快以及过度使用造成的,与接触数目关系不大。因此这是一个需要权衡利弊的问题,即用户是否愿意付出一些磨损的代价换取高效率。

  卡特彼勒早期的竞争对手大都已不复存在,只有波兰的HSW凭借当年与万国的合作获得了TD系列推土机的技术,并得到了一些改进,数十年过去了,相信可靠性问题已经得到了解决。归于柳工旗下以后是否会获得某种程度的竞争优势现在还很难说。

  至于大型推土机的发展趋势,两大巨头都未指明方向,液压驱动、电驱动,或者继续维持液力机械式,一切都有可能。从推土机的工况角度考虑,液压驱动也许是理想的方式,既然中型推土机可以做到,大型推土机应该问题也不会太大,可以采用多个液压马达并联的方式,而这对可靠性提出了较高的要求。从节能的角度看,电驱动也值得考虑,但卡特的D7E推出时间较晚,能否将其技术应用到更大的推土机上还有待观察。而液压转向能否应用到更大的D10T或D11T上呢,应该说问题不大,但如果不是特别必要,恐怕厂商会选择保守,因为如果一个液压马达不能满足要求会需要两个,而增加液压件意味着需要提高可靠性。

  从世界大型推土机发展的经验来看,最后的赢家仍然是大型全能企业,即发动机、传动系统及底盘等关键部件全部自行研发,那些规模不够大或者依赖外部供应的企业要么被淘汰、要么在夹缝中生存。
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