挖掘機(jī)反吹式空氣預(yù)濾器應(yīng)用研究

蘇永志，韋俊茂，賓旭洲，廖江正

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司 挖掘機(jī)研究院，廣西 柳州 545007）

液壓挖掘機(jī)經(jīng)常在礦山、采石場(chǎng)等重度灰塵環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，某些工況下整個(gè)設(shè)備甚至被灰塵籠罩，惡劣的環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的過濾能力提出了更高的要求。重度灰塵環(huán)境典型塵埃含量為1.0～10mg/cuft［1］。傳統(tǒng)干式空氣預(yù)濾器（旋流葉片）采用離心原理將部分大顆粒雜質(zhì)分離并排出，一般預(yù)過濾效率在72%～85%（ISO5011）。在此重度灰塵工況下，這種形式的預(yù)濾器已無法滿足需求，導(dǎo)致其后端的空濾一般1～2天就會(huì)發(fā)生堵塞報(bào)警，需要頻繁清理空濾濾芯甚至更換。

為了改善這種狀況，挖掘機(jī)配置了油浴式預(yù)濾器。油浴式預(yù)濾器利用油液粘性吸附過濾大部分細(xì)灰，預(yù)過濾效率達(dá)90%以上［2］，適應(yīng)了大部分工況，但在重度灰塵環(huán)境和人停機(jī)不停的生產(chǎn)需求下，其維護(hù)保養(yǎng)就得增加停機(jī)時(shí)間和額外增加更多的人工成本。本文介紹了一款反吹式預(yù)濾器，利用壓縮氣流噴射形成的壓力沖擊自動(dòng)清理預(yù)濾器濾芯表面的灰塵，為挖掘機(jī)在重度灰塵工況下的維護(hù)保養(yǎng)提供了一種更經(jīng)濟(jì)和高效的預(yù)過濾方案。

1 油浴式預(yù)濾器的適應(yīng)性

油浴式預(yù)濾器對(duì)粗灰和細(xì)灰的過濾效果很好，其維護(hù)保養(yǎng)要求是每50h檢查一次油液，每250h清洗金屬濾芯并更換油液，并根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況適當(dāng)縮短或延長(zhǎng)清洗金屬濾芯和更換油液的時(shí)間。如出現(xiàn)進(jìn)氣阻塞報(bào)警，必須清洗金屬濾芯和更換油液。

在勤于清洗和換油的前提下，其可使空濾濾芯維護(hù)周期延長(zhǎng)，降低濾芯的消耗成本。而在重度灰塵環(huán)境下，大量粉塵被油液吸附后形成油泥粘結(jié)在金屬濾芯上和沉積在油盆底部，維護(hù)周期被縮短，清潔需求時(shí)間長(zhǎng)，額外增加了更多人工成本，并與人停機(jī)不停的生產(chǎn)需求不匹配。有些用戶為了延長(zhǎng)清潔周期，拆掉油浴式預(yù)濾器防雨帽后在進(jìn)氣口上套接舊空濾濾芯。套接濾芯前移了油浴式預(yù)濾器保養(yǎng)的部分壓力，但也直接增加了套接濾芯的保養(yǎng)頻次（一般每天得清潔套接濾芯2次以上）。如保養(yǎng)不及時(shí)，不僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)氣阻力大幅增加，還影響整機(jī)的油耗。綜上，為提高維護(hù)保養(yǎng)的效率，進(jìn)一步減少人工成本和改善系統(tǒng)進(jìn)氣阻力，反吹式預(yù)濾器應(yīng)運(yùn)而生。

2 反吹式預(yù)濾器的結(jié)構(gòu)及工作原理

反吹式預(yù)濾系統(tǒng)主要由反吹式預(yù)濾器、電磁閥、氣罐、壓力傳感器、控制器、免維護(hù)氣泵（由于挖掘機(jī)上沒有空壓機(jī)，無氣源）和蓄電池組成，如圖1所示。氣泵的動(dòng)力源是整車的蓄電池，啟停由控制器控制。反吹式預(yù)濾器由單級(jí)濾芯、殼體和帶單向閥的端蓋構(gòu)成，預(yù)過濾效率最高可達(dá)99.99%。濾芯采用表面過濾型折疊濾紙，殼體內(nèi)腔設(shè)置有氣體導(dǎo)流圈。

圖1 反吹式預(yù)濾器結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

當(dāng)鑰匙開關(guān)上電后，控制器通過壓力傳感器檢測(cè)到氣罐氣壓低于90psi（620.5kPa）時(shí)將控制氣泵工作并向氣罐充氣，氣壓達(dá)到120psi（827.4kPa）時(shí)停止泵氣。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后工作時(shí)間如大于設(shè)定值時(shí)，控制器控制系統(tǒng)開始進(jìn)入自動(dòng)反吹模式。此時(shí)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，控制器控制電磁閥打開，氣罐內(nèi)的壓縮空氣通過管路進(jìn)入反吹式預(yù)濾器，通過導(dǎo)流圈吹在預(yù)濾器濾芯內(nèi)表面，壓縮氣流噴射形成的壓力沖擊將濾芯過濾的粉塵通過端蓋上的單向閥向外吹出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)清潔預(yù)濾器濾芯操作，節(jié)省了大部分人工成本。

3 反吹式預(yù)濾器的選型

反吹式預(yù)濾器在選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定進(jìn)氣流量和所選空氣濾清器的進(jìn)氣阻力及系統(tǒng)管路阻力參數(shù)來選型，要求新濾芯狀態(tài)下整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的初始進(jìn)氣阻力不超過3.7kPa。綜合考慮反吹預(yù)濾器的反吹控制方式和性能、濾紙耐破度和清潔復(fù)原能力、氣罐安全性、能耗、通用性、成本等因素，在保證過濾效率的前提下，盡量選擇進(jìn)氣阻力低的產(chǎn)品，這樣可以使空濾的使用壽命相對(duì)延長(zhǎng)和發(fā)動(dòng)機(jī)油耗更優(yōu)。精確的發(fā)動(dòng)進(jìn)氣流量通常需要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商提供，如果無相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量參數(shù)，可參考如下方法計(jì)算進(jìn)氣流量

式中 Q——進(jìn)氣流量，m3/h；

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm；

V——發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；

η—— 充氣效率，4沖程自然吸氣柴油機(jī)η=0.9；4沖程渦輪增壓中冷柴油機(jī)η=1.85。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證反吹式預(yù)濾器的功能和性能，在某型液壓挖掘機(jī)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。

4.1 初始進(jìn)氣阻力

反吹式預(yù)濾器的初始進(jìn)氣阻力測(cè)試結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，其初始進(jìn)氣阻力在機(jī)器最高擋位時(shí)比油浴式預(yù)濾器降低25.2%。初始阻力大幅減小的原因是反吹式預(yù)濾器采用單級(jí)濾芯，濾紙通流面積大，阻力小。另外，油浴式預(yù)濾器本身雙級(jí)金屬濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)初始阻力大。

圖2 反吹式預(yù)濾器初始進(jìn)氣阻力對(duì)比測(cè)試

根據(jù)進(jìn)氣阻力對(duì)油耗影響的相關(guān)研究結(jié)果：進(jìn)氣阻力從2.4kPa升至5kPa后，油耗相對(duì)升高率為0.9%［3］，空濾堵塞報(bào)警壓力為6.2kPa?？梢姡创凳筋A(yù)濾器的應(yīng)用在油耗表現(xiàn)上會(huì)有一定的改善。

4.2 氣泵充氣功耗

測(cè)試氣泵充氣過程中的電流和蓄電池電壓，變化情況如圖3所示。隨著氣罐氣壓不斷上升，電流逐漸增大，功率也隨之增大（最大功率為270.12W）。90s后氣罐充滿，電瓶壓降為0.13V，功耗在可接受范圍。

圖3 充氣過程的功耗

4.3 反吹過程濾紙表面氣壓

反吹式預(yù)濾器濾芯濾紙?jiān)O(shè)計(jì)耐破度＞350kPa（GB/T 454-2002），測(cè)試反吹過程中濾紙內(nèi)表面的氣壓變化情況如圖4所示。反吹瞬間的氣流沖擊壓力峰值為18.32kPa，小于濾紙耐破度限值。

圖4 反吹過程濾紙內(nèi)表面氣壓測(cè)試

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某型液壓挖掘機(jī)試驗(yàn)機(jī)上試裝反吹式預(yù)濾器并在某采石場(chǎng)（重度灰塵環(huán)境）驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用效果。對(duì)比油浴式預(yù)濾器套接濾芯狀態(tài)：每天清潔套接濾芯2次，空濾濾芯1次；反吹式預(yù)濾器：每天自動(dòng)反吹清潔5～8次，每250h清潔1次空濾濾芯，可見，試裝反吹式預(yù)濾器后維護(hù)保養(yǎng)頻次和停機(jī)時(shí)間大幅減少，同時(shí)也減少了人工維護(hù)成本。

5 結(jié)束語

反吹式預(yù)濾器利用壓縮氣流噴射形成的壓力沖擊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清理預(yù)濾器濾芯表面的灰塵，相對(duì)油浴式預(yù)濾器更清潔環(huán)保，在重度灰塵工況下其在挖掘機(jī)上的應(yīng)用能有效減少用戶維護(hù)保養(yǎng)的頻次、工作量、停機(jī)時(shí)間和人工成本，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)氣阻力有較大的改善，為特定工況下的維護(hù)保養(yǎng)提供了一種更經(jīng)濟(jì)、高效的預(yù)過濾方案和選擇。