液壓挖掘機液壓系統預熱方式分析

石立京，周 顯，周開坤，孫文慶

（徐工礦業(yè)機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

液壓系統是工程機械中的一個重要部分，液壓系統具有體積小、重量輕、功率密度大、工作平穩(wěn)且可實現無極調速等優(yōu)點，應用日趨廣泛。但液壓系統對液壓油粘度要求較高，尤其在較低氣溫環(huán)境下，如果不采取預熱方式，將會導致液壓元件失效，從而帶來停機導致較大的經濟損失。

1 液壓元件對液壓油黏度要求

根據不同環(huán)境溫度采用不同黏度的液壓油，液壓油選用溫度范圍見圖1。

圖1 液壓油選用溫度范圍

液壓挖掘機通常采用斜盤式柱塞變量泵，該規(guī)格柱塞泵要求液壓油的粘度范圍為10～1000mm2/s。其中液壓油粘度v=10mm2/s，要求短時間內（t＜3min）；液壓油粘度v=1000mm2/s，要求短時間內（冷啟動時，工作粘度在15min內應達到100mm2/s以下）。液壓油粘度在16～100mm2/s范圍內，機器可以連續(xù)操作。最佳工作的粘度范圍為16～36mm2/s。液壓油粘度和溫度關系曲線見圖2。

2 液壓系統預熱方式

根據環(huán)境溫度的不同，液壓系統預熱方式通常分為液壓系統啟動前預熱和啟動后預熱。為了降低液壓油采購成本，客戶在冬季采用通用油而非冬季專用油。某些低溫性能較好的液壓油高溫性能比較差，例如殼牌S4 VX系列液壓油能夠在環(huán)境溫度為-50℃地帶工作，但要求用于持續(xù)油溫不超過75℃液壓系統，啟動前預熱采用加熱器及外部加熱方式。本文著重介紹液壓系統加熱器預熱，將液壓油加熱到粘度≤1000mm2/s，根據采用的不同油品來確定加熱溫度值。啟動后預熱通常采用節(jié)流和溢流預熱，使得液壓油粘度達到100mm2/s以內，根據采用的不同油品來確定加熱溫度值。液壓系統預熱的前提需要將發(fā)動機進行怠速暖機，根據水溫分3種情況：（1）如果水溫≥0℃，發(fā)動機暖機時間大約需要15min；（2）如果-18℃≤水溫≤0℃，發(fā)動機暖機時間大約需要30min；（3）如果水溫＜-18℃，發(fā)動機需要采取特殊方式進行啟動和暖機。

圖2 液壓油粘度與溫度關系

2.1 主油路節(jié)流自動預熱

大型液壓挖掘機在怠速情況下，主泵的流量經過主閥后回到液壓油箱。為了降低能量損失，此時主泵出口的壓力比較低。通常正流量液壓系統只有3～5bar，所以這時液壓系統預熱時間比較長。如果急于操作機器，會對液壓元件造成損害。首先發(fā)動機經過暖機，將轉速設定為中速（通常為1400～1500rpm）。當安全手柄處于鎖止狀態(tài)，通過油溫傳感器實時監(jiān)控液壓系統溫度。檢測到液壓油溫低于25℃，自動預熱功能將啟動。在主泵出口和進口設置三位二通電液換向閥，正常工作時處于完全打開狀態(tài)，降低壓力損失。自動預熱狀態(tài)時，該換向閥處于節(jié)流狀態(tài)，增加主泵出口壓力，加速液壓油溫升。通常主泵出口壓力設定為10～15MPa，加熱時間大約為15min。

如果安全手柄打開，該換向閥切換到完全打開狀態(tài)，否則會影響正常操作，但儀表會提示司機預熱操作。如果液壓油溫高于25℃，自動預熱功能取消。當處于怠速且不需要預熱時，該閥處于關閉狀態(tài)，即閉中心，將主泵的流量降到最低僅滿足泄漏量和潤滑要求，降低液壓系統能耗。液壓原理見圖3。

2.2 主油路溢流主動預熱

發(fā)動機預熱后，將其轉速設定為中速（通常為1400～1500rpm），緩慢移動手柄使鏟斗外擺并保持不動。由于鏟斗油缸完全收回，主泵流量通過主閥溢流閥后回到液壓油箱，溢流產生的能量加熱液壓油。運轉發(fā)動機5min，將發(fā)動機轉速調整為最高轉速，緩慢操作動臂、斗桿和鏟斗動作使液壓油缸至行程末端。緩慢操作行走和旋轉功能，只允許進行短距離操作，將液壓油溫上升為標準值且動作時間正常。每次連續(xù)溢流的時間不能超過10s，且務必要有5～10s時間間隔，否則會導致主控制閥因溫度過高出現故障。

2.3 采用加熱器預熱

在液壓系統啟動前通常采用加熱器預熱形式，液壓油采用浸入式加熱器和強制循環(huán)加熱系統。

金屬管電熱元件首先要滿足JB/T 2379-2016標準要求，其次還要考慮表面負荷參數，主要涉及液壓油的熱穩(wěn)定性，溫度過高會致液壓油老化、炭化等。殼牌液壓油的表面負荷≤11.5kJ/m2。在選用時主要考慮加熱器是安裝在非流動介質或流動介質。在自然對流狀態(tài)下，潤滑油的對流傳熱系數只有67～114W/（m2K）。在強制對流狀態(tài)下，潤滑油的對流傳熱系數一般為170～280W/（m2K）。當加熱到指定溫度時，加熱器自動停止加熱，加熱器本身可集成該功能。加熱時間和油品種類確定之后，可計算加熱器所需總功率

式中P——加熱器所需功率，kW；

V——液壓油體積，m3；

c——液壓油比熱容，J/kg·K；

ρ——液壓油密度，kg/m3；

T1——目標溫度，℃；

T2——初始溫度，℃；

Z——加熱時間，h。

2.4 減少散熱加速預熱

通過減少液壓油散熱同樣可以加快液壓系統預熱，通常采取降低風扇轉速和風量。大型液壓挖掘機出于節(jié)能考慮，液壓油和發(fā)動機采用獨立散熱。液壓油溫度低于25℃時，獨立散熱泵出口流量直接回到液壓油箱而非驅動液壓馬達。此時風扇轉速為零，加快液壓油溫升，同時降低液壓系統能耗。液壓原理見圖4。

圖4 風扇零轉速驅動液壓原理圖

3 結束語

大型液壓挖掘機在低溫情況下采用高粘度指數液壓油，在液壓系統啟動前和油溫低于25℃時，需要對液壓系統預熱。本文就其主要預熱形式——節(jié)流預熱、溢流預熱和加熱器預熱等進行了闡述。