挖掘機液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及性能研究

摘要：為提高挖掘機液壓系統(tǒng)的工作性能，減少設(shè)備的故障次數(shù)，研究將重點對液壓系統(tǒng)中的回油背壓系統(tǒng)進行分析，明確回油背壓系統(tǒng)的組成與常見故障類型，并以此為基礎(chǔ)對其進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化重點對節(jié)流閥與單向閥進行調(diào)整，并考慮優(yōu)化成本問題，由試驗結(jié)果可知，經(jīng)過優(yōu)化后回油背壓系統(tǒng)的單向閥能夠有效避免堵塞，并確保液壓油經(jīng)過散熱器后再進入油箱。由此證明，優(yōu)化后的挖掘機液壓回油背壓系統(tǒng)具有良好的使用性能，可為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：挖掘機;液壓系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計;性能

中圖分類號：TH137" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.009

0" " 引言

為提高挖掘機液壓系統(tǒng)的工作性能，減少設(shè)備故障次數(shù)，開展針對回油背壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及性能研究。通過對液壓系統(tǒng)中的回油背壓系統(tǒng)進行詳細分析，明確其組成與常見故障類型，并基于此進行優(yōu)化設(shè)計。本研究主要聚焦于節(jié)流閥和單向閥的調(diào)整，特別是如何通過技術(shù)改進確保液壓油經(jīng)過散熱器后順利回到油箱，從而提升系統(tǒng)的散熱能力和穩(wěn)定性。試驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后的回油背壓系統(tǒng)顯著提高了挖掘機使用性能，可為相關(guān)領(lǐng)域提供重要參考。

1" " 挖掘機液壓系統(tǒng)組成及工作原理

常見挖掘機的液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1中背壓閥總成的拆分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制腔內(nèi)的液壓力直接控制回油背壓單向閥閥芯的工作狀態(tài)，在本研究中將其額定值設(shè)置為0.5 MPa，此結(jié)構(gòu)能為液壓系統(tǒng)提供長期且穩(wěn)定的回油背壓，并避免各設(shè)備出現(xiàn)缺油或吸空的情況。此外，科學的回油背壓力可以調(diào)節(jié)管道中液壓油的剛度。散熱器保護單向閥中的閥芯開啟壓力主要由自身結(jié)構(gòu)中的彈簧決定，在本次研究中啟閉值取0.7 MPa，該設(shè)計能在回油背壓單向閥工作狀態(tài)壓力過高時，提高板翅式回油散熱器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)破壞情況。

液壓系統(tǒng)的主泵壓力油在工作狀態(tài)下會經(jīng)過多路閥，經(jīng)其分配后進入各執(zhí)行單位，然后經(jīng)由回油背壓閥總成進行分液。假設(shè)此時背壓達到0.5 MPa，那么回油背壓系統(tǒng)中的單向閥將會打開，讓液壓油通過散熱器進行冷卻，再流入液壓油箱?，F(xiàn)階段，在挖掘機工作過程中，液壓油流經(jīng)散熱器時常會因其粘度提高而增加入口側(cè)的壓力，為保證整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，會在入口側(cè)的壓力超過0.7 MPa時將部分回油經(jīng)過背壓閥總成直接回到液壓油箱[1]。

2" " 故障原因排查

收集常見挖掘機液壓系統(tǒng)故障信息，發(fā)現(xiàn)部分挖掘機液壓系統(tǒng)故障屬于回油背壓系統(tǒng)故障。為優(yōu)化挖掘機液壓回油背壓系統(tǒng)工作性能，解決常見的回油背壓系統(tǒng)故障，下文將對一臺挖掘機液壓回油系統(tǒng)故障進行深入研究，以明確造成此類故障的根本原因。

經(jīng)過現(xiàn)場檢測后發(fā)現(xiàn)，故障挖掘機的回油背壓單向閥實際開啟壓力為0.75 MPa，顯著超過其額定值0.5 MPa的規(guī)定范圍。當開啟壓力超過0.7 MPa時，高溫液壓油不再經(jīng)過散熱器冷卻，而是直接繞過散熱器回到油箱，導致整個系統(tǒng)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，造成該問題的根源在于回油背壓單向閥的實際開啟壓力過高。經(jīng)過詳細分析可知，此現(xiàn)象的影響因素主要包括以下幾個方面：彈簧的彈力是否合適、閥芯節(jié)流孔的大小是否滿足壓力控制要求、密封面是否存在缺陷以及設(shè)備精度是否滿足使用要求。進一步研究發(fā)現(xiàn)，閥芯的啟閉壓力與節(jié)流孔面積之間成反比關(guān)系，即節(jié)流孔面積減小，閥芯的開啟壓力將顯著升高，導致系統(tǒng)內(nèi)液壓油溫度無法得到有效控制。節(jié)流孔的堵塞不僅會直接導致單向閥開啟壓力升高，還會引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，使得液壓系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)高溫報警，同時造成液壓油散熱器滲油故障。此現(xiàn)象不僅會影響液壓系統(tǒng)的正常運行，還可能對設(shè)備造成長期損害。因此，確保節(jié)流孔暢通，保證閥芯開啟壓力在正常范圍內(nèi)，是維持液壓系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵所在。

3" " 回油背壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1" " 回油背壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計思路

結(jié)合上述故障檢測與維修經(jīng)驗可知，為避免節(jié)流孔出現(xiàn)堵塞，可增加節(jié)流孔孔徑，若增加節(jié)流孔孔徑則必須增加單向閥的控制腔面積，但結(jié)合設(shè)備的實際情況可知，控制腔的面積能夠調(diào)整的范圍較小，節(jié)流孔流量無法滿足改造后的控制腔流量，因此上述方法不具有實際意義。所以，本次優(yōu)化設(shè)計通過外部油路進行控制腔的充放液，以此控制該結(jié)構(gòu)的壓力，并提高回油背壓系統(tǒng)單向閥的響應(yīng)特性，維持系統(tǒng)正常的開啟壓力。在實現(xiàn)上述方法前，需要對單向閥的壓力控制腔進行一次壓力的設(shè)定與充放液，詳細設(shè)計可在螺堵6位置處鉆孔，孔徑設(shè)置為6 mm，并在此處增加滿足充放液操作與穩(wěn)壓要求的零部件，包括節(jié)流閥、分流體、單向閥以及焊接三通等[2]。詳細設(shè)計圖如圖3所示。

此部分的設(shè)計原理為：液壓油從先導系統(tǒng)流出，經(jīng)過節(jié)流閥2進入焊接三通，然后經(jīng)過焊接三通流入單向閥的壓力控制腔，使用單向閥3實現(xiàn)對控制腔壓力極大值的設(shè)定，以此方式達到快速填充或排放回油背壓單向閥存留液壓油的目的[3]。

3.2" " 節(jié)流閥優(yōu)化與選取

節(jié)流閥在液壓系統(tǒng)中承擔為控制腔提供液壓油的功能，以確保此環(huán)節(jié)的壓力控制不受影響且穩(wěn)定。以某大型挖掘機的液壓系統(tǒng)工作壓力為例，該設(shè)備的液壓系統(tǒng)設(shè)定壓力為4.0 MPa，回油背壓單向閥的開啟壓力為0.5 MPa，設(shè)備中的節(jié)流閥最大允許損失壓力為3.5 MPa，控制腔直徑為40 mm，閥芯的行程為10 mm。當閥芯處于極限行程時，其排液或充液容積為0.12 L，節(jié)流孔直徑為0.8 mm，在3.5 MPa的壓降條件下，其流量能夠達到0.7 L/min，此流量是單向閥極限容積變化的6倍。詳細數(shù)據(jù)如圖4所示。

通過上述參數(shù)的計算和分析可以得出結(jié)論：0.8 mm的節(jié)流孔尺寸完全能滿足回油背壓單向閥壓力控制腔的快速充液需求，不會對先導操作系統(tǒng)的流量供應(yīng)產(chǎn)生負面影響。理論上此設(shè)計不僅能夠確保液壓系統(tǒng)的正常運行，而且還能夠提高系統(tǒng)的整體效率和可靠性，并且在實際應(yīng)用中，這種配置可有效保證液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免因流量不足或壓力控制不當引起的系統(tǒng)故障，從而延長設(shè)備使用壽命，并提高其工作效率[4]。

3.3" " 單向閥優(yōu)化與選取

在改造設(shè)計中，設(shè)置控制腔壓力為0.35 MPa，考慮控制腔內(nèi)彈簧施加力，可知單向閥開啟壓力約為0.5 MPa，此設(shè)計能確保系統(tǒng)在正常運行過程中維持適當?shù)膲毫λ?，避免因壓力過低或過高導致的系統(tǒng)故障。通過對單向閥的壓力-流量特性曲線進行詳細分析，能看出此設(shè)計具有良好的使用效果，并可穩(wěn)定整個回油背壓系統(tǒng)的壓力。特性曲線顯示，當整個通路的流量低于11 L/min時，回油背壓系統(tǒng)的壓力將下降至0.35 MPa。此數(shù)值與單向閥的開啟壓力相同，表明系統(tǒng)在此流量范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定運行。特性曲線的分析不僅驗證了單向閥設(shè)計的有效性，還提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，說明在不同流量條件下，系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定的壓力控制。此設(shè)計確保了液壓系統(tǒng)的正常運行，并可有效預防因壓力波動引起的設(shè)備損壞和系統(tǒng)故障。通過合理的壓力設(shè)定和精確的控制，系統(tǒng)在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能和可靠性，詳細如圖5所示。因此，0.8 mm節(jié)流孔的設(shè)計既能滿足系統(tǒng)的流量需求，又能確保壓力控制的準確性。此設(shè)計和實際運行數(shù)據(jù)表明，0.8 mm節(jié)流孔能夠有效滿足系統(tǒng)對流量和壓力的要求，確保液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行[5]。通過合理的壓力設(shè)定和閥芯容積設(shè)計，系統(tǒng)能夠在不同工況下保持良好的性能，不僅可以提高系統(tǒng)的可靠性，還能延長設(shè)備的使用壽命。

4" " 優(yōu)化設(shè)計檢驗

對某企業(yè)大型挖掘機進行改造，將本優(yōu)化設(shè)計加入其液壓系統(tǒng)，并進行72 h不間斷工作散熱能力試驗，優(yōu)化前后回油背壓閥總成及回油背壓數(shù)據(jù)的對比如圖6所示，通過圖6能夠清晰地看出系統(tǒng)性能顯著提升。

通過優(yōu)化，在系統(tǒng)流量不超過1 200 L/min時，設(shè)備實際啟閉壓力從0.75 MPa明顯降低到0.5 MPa，符合NB/T 47006—2019《鋁制板翅式熱交換器》及相關(guān)專項試驗規(guī)范的要求。本次技術(shù)改進帶來了多方面的優(yōu)點：首先，新增的0.35 MPa管式單向閥可以有效減少節(jié)流孔堵塞問題，保證啟閉壓力的穩(wěn)定性。其次，優(yōu)化后的系統(tǒng)實際開啟壓力從0.75 MPa降低到0.5 MPa，極大地提升了散熱能力，顯著延長了散熱器的使用壽命。此外，這種技術(shù)改造成本低廉，實施簡單，有助于管路的合理布置，極具成本效益。工業(yè)性試驗結(jié)果進一步驗證了優(yōu)化方案的有效性和可靠性，經(jīng)過超過3 000 h的工業(yè)性試驗，系統(tǒng)無散熱器故障記錄，此結(jié)果不僅表明技術(shù)改進成功提高了系統(tǒng)的散熱性能，還展示了其在長期運行中的穩(wěn)定性和可靠性。

5" " 結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)過72 h不間斷工作的散熱能力試驗和超過3 000 h的工業(yè)性試驗，優(yōu)化后的回油背壓系統(tǒng)在大型液壓挖掘機中的應(yīng)用證明了其優(yōu)越的性能。優(yōu)化設(shè)計有效降低了設(shè)備實際開啟壓力，增強了系統(tǒng)的散熱能力，并延長了散熱器的使用壽命，通過引入管式單向閥和合理的壓力設(shè)定，系統(tǒng)在長期運行中能保持穩(wěn)定性，避免常見的故障問題。

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