裝載機液壓系統(tǒng)的熱平衡原理及優(yōu)化

1剩、壓力過剩裝載是一種自行式機器，包括行走、搬運、安裝、拆卸、刮動和平牽引等工作方法。裝載機液壓系統(tǒng)在作業(yè)過程中存在流量過剩和壓力過剩問題,有較大能量損失,且伴隨熱量產(chǎn)生。若系統(tǒng)本身產(chǎn)生的熱量過多,或設計的散熱系統(tǒng)不足以散發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量,將導致液壓系統(tǒng)油溫升高,熱平衡系統(tǒng)破壞,最后影響系統(tǒng)及元件可靠性和整機作業(yè)效率。研究熱量產(chǎn)生的原因,從系統(tǒng)上減少熱量的產(chǎn)生,對于提高整機的性能,提高整機的可靠性及作業(yè)效率具有重要意義。2多路換向閥現(xiàn)今市場主流ZL50型裝載機的液壓系統(tǒng)一般采用雙泵合流的工作液壓系統(tǒng)和全液壓負荷傳感轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)。其中全液壓負荷傳感轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)是由全液壓轉(zhuǎn)向器和優(yōu)先閥組成,工作液壓系統(tǒng)中用的是多路換向閥(分配閥),液壓泵優(yōu)先滿足轉(zhuǎn)向油路使用,剩余部分再供給工作油路使用,轉(zhuǎn)向油路能可靠工作。兩個液壓系統(tǒng)都是定量系統(tǒng),多路閥由鏟斗換向閥、動臂換向閥及安全閥組成,兩換向閥之間采用串并聯(lián)連接油路。有些機型尚未設計液壓冷卻系統(tǒng),油溫較高,特別是在夏季露天作業(yè)時,溫升很快,有的鏟斗可實現(xiàn)自動放平,有的型號則不能實現(xiàn)自動放平(沒設計)。裝載機現(xiàn)行液壓系統(tǒng)雖結構簡單,性能穩(wěn)定、價格便宜,但也存在不足。由于液壓泵采用定量泵,定量泵輸出的壓力和流量不能自動適應負載的需求,作業(yè)過程都存在流量過剩和壓力過剩的問題。3合理的無油液壓閥的工作原理(1)油溫過高會使裝載機的動臂舉升無力、遲緩,轉(zhuǎn)向費力,整機故障率增加;工程進度及裝載機的使用壽命也受到影響。(2)油溫過高會使液壓油的粘度降低、油泵和液壓閥件的磨損加劇、運動件動作不靈或“卡死”、泄漏增加。泄漏增加既可使系統(tǒng)容積效率降低,還會使油溫進一步上升,嚴重影響整機工作性能。(3)油溫高會使密封件和高壓軟管加速老化,壽命降低。(4)油溫過高產(chǎn)生的沉積物會使液壓系統(tǒng)內(nèi)的小孔和縫隙堵塞,整機的正常工作受到影響。(5)根據(jù)調(diào)查顯示,ZL50裝載機液壓系統(tǒng)油溫在50℃時,動臂提升時間為8s,當液壓系統(tǒng)油溫升高到90℃時,動臂提升時間變?yōu)?.6s。4系統(tǒng)發(fā)熱量裝載機液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量主要有液壓油流經(jīng)各類液壓元件時因存在局部壓力損失而產(chǎn)生的;定量泵系統(tǒng)中的溢流閥在不同工況下溢流損失是產(chǎn)生熱量的另一重要原因;此外,各種泄漏損失、摩擦損失、液壓油液的污染、空氣的進入和氣蝕現(xiàn)象也會使系統(tǒng)的發(fā)熱量加大;被這些元件消耗的液壓功產(chǎn)生的熱量大部分將使油液發(fā)熱,只有其中一小部分使元件本身局部發(fā)熱。裝載機液壓系統(tǒng)工作時存在不可避免的能量損失,會產(chǎn)生大量的熱量,使油溫升高。裝載機液壓系統(tǒng)中若未安裝液壓油冷卻裝置,產(chǎn)生的熱量滯留在系統(tǒng)內(nèi)散發(fā)不出去,將引起油溫升高。下面重點從液壓油流經(jīng)各類液壓元件時存在壓力損失和溢流損失產(chǎn)生的熱量引起溫升方面來進行試驗分析。4.1主要測試設備波譜WS-5921D/U系列多種傳感器信號數(shù)據(jù)采集儀及分析系統(tǒng)一套;8支壓力傳感變送器;各種測壓接頭;筆記本電腦一臺等。4.2壓力損失及分析(1)分別在發(fā)動機中速、高速情況下,測試裝載機單獨轉(zhuǎn)向時相應點的壓力。從圖1、圖2所示的兩幅壓力測試曲線可以看到,裝載機在發(fā)動機處于不同的轉(zhuǎn)速下單獨轉(zhuǎn)向時,油液通過管路、優(yōu)先閥、轉(zhuǎn)向器及管路時都會有壓力損失。該壓力損失隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增大而增大。低速轉(zhuǎn)向時各元件引起的壓力損失要小于高速轉(zhuǎn)向時各元件起的壓力損失。轉(zhuǎn)向器是位置伺服系統(tǒng),存在原理性的節(jié)流損失,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效率較低。如圖3、圖4,空載中速、高速轉(zhuǎn)斗時壓力都比較小,舉升時,分配閥出口和動臂缸無桿腔之間壓力損失大約為0.8MPa,比較大,空載高速工況鏟斗轉(zhuǎn)斗時轉(zhuǎn)斗缸無桿腔壓力很大,2.9s左右溢流閥產(chǎn)生溢流,溢流后系統(tǒng)壓力降低。(3)分別在標準裝載工況、復合工況、滿載工況下,完成裝載機工作裝置的插入、收斗、動臂舉升、卸斗、動臂下降等循環(huán)動作,分別測試裝載機各工況下相應壓力點的壓力。各壓力曲線如圖5~圖10。從圖5可以看出,轉(zhuǎn)向泵和工作泵之間存在一定的壓力差,該壓力差為通過合流單向閥及沿程管路的壓力損失,該損失不大。①插入工況:鏟斗液壓缸和動臂液壓缸此時是閉鎖的,液壓系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)。雖然系統(tǒng)壓力很低,但發(fā)動機還在高速運轉(zhuǎn),液壓泵的輸出流量仍然很大。存在分配閥中位低壓卸荷損失。②收斗過程:此時動臂換向閥為中位。液壓油流經(jīng)轉(zhuǎn)斗液壓缸換向閥,在這個階段系統(tǒng)處于合流狀態(tài)(圖5)。在不同工況下,液壓油流經(jīng)分配閥及流到轉(zhuǎn)斗缸無桿腔都存在壓力損失(圖6、8、9),轉(zhuǎn)斗無桿腔壓力存在波動,滿載時鏟斗無桿腔壓力波動則更大(圖6)。③當裝載機轉(zhuǎn)斗到達收斗限位時:轉(zhuǎn)斗油缸無桿腔壓力會上升到設定的極限值致使溢流閥開啟溢流,造成系統(tǒng)的功率損失。此壓力峰值是因轉(zhuǎn)斗油缸換向閥尚未回到中位,該現(xiàn)象在每次鏟斗轉(zhuǎn)到極限位置時均會發(fā)生(圖3、4、6),鏟斗到達收斗限位只是一個瞬時沖擊過程,溢流卸荷時間很短,但溢流閥的調(diào)定壓力很高,故產(chǎn)生的熱量較多。④收斗完成至動臂將要舉升時:分配閥處于中位,工作泵及轉(zhuǎn)向泵卸荷。轉(zhuǎn)斗油缸兩腔閉鎖,無桿腔壓力處于高壓力16.5MPa,有桿腔壓力很低。動臂油缸下腔壓力較低,該壓力是由動臂及鏟斗重量引起的。⑤裝載機動臂提升過程:轉(zhuǎn)斗油缸換向閥在此過程為中位,液壓油流經(jīng)動臂液壓缸換向閥,系統(tǒng)為合流狀態(tài)(圖5)。動臂提升時動臂液壓缸要求快速平穩(wěn)地運動,故工作裝置液壓系統(tǒng)處于高壓大流量狀態(tài),不會產(chǎn)生溢流損失,液壓系統(tǒng)的功率損失主要是動臂換向閥在不同工況下節(jié)流口處產(chǎn)生的節(jié)流損失,還有沿程及通過換向閥的壓力損失(圖6~圖9)。液壓油流經(jīng)分配閥及流到動臂缸無桿腔都存在壓力損失(圖6~圖9),不同工況下動臂提升時動臂無桿腔壓力不同,在不同工況下,液壓油流經(jīng)動臂換向閥時的壓力損失也不同(圖3、圖4、圖9)。在高速工況下的壓力損失較大,低速時壓力損失較小。分配閥到動臂無桿腔有壓力損失,大約0.6MPa。動臂提升過程中動臂無桿腔壓力隨著動臂位置角的變化而增加,動臂有桿腔壓力都很小,平均0.4MPa,最大約0.8MPa。此時轉(zhuǎn)斗油缸無桿腔壓力變化不太大,比較平穩(wěn)。⑥鏟斗卸斗:鏟斗卸斗時存在超越載荷,因此此時轉(zhuǎn)斗油缸兩腔的壓力均處于下降狀態(tài)(圖6、圖9、圖10),工作泵壓力很小,功率損失也很小。當鏟斗運動到極限位置時,有桿腔的壓力將急劇上升,并有較大的壓力波動,這種壓力波動在滿載工作時顯得更加明顯。鏟斗卸斗后要有一個收斗過程,此時,壓力波動比較大(圖6~圖10)。液壓油經(jīng)過鏟斗液壓缸換向閥時有壓力損失,但由于壓力差很小,故功率損失很小,產(chǎn)生的熱量也不多。⑦動臂下降:動臂是靠其自重下降的,且下降的速度很快,故需要的流量相應也很大,容易造成沖擊,損壞工作裝置各元件。鏟斗在空載的狀態(tài)下收斗到水平位置。在收斗到水平工況過程中,裝載機工作裝置液壓系統(tǒng)處于輕載、大流量狀態(tài)。系統(tǒng)各壓力點壓力都較小,但有一定的波動。⑧鏟切作業(yè):鏟斗在鏟切作業(yè)時,若遇到很大的鏟切阻力,工作裝置液壓系統(tǒng)就處于高壓小流量狀態(tài)。此時大部分過剩油液將在高壓下通過溢流閥流回油箱,進而產(chǎn)生大量的熱量,使液壓系統(tǒng)的液壓油溫度升高,系統(tǒng)發(fā)熱。5溢流損失的概念裝載機現(xiàn)行液壓系統(tǒng)基本上是雙泵合流的定量泵系統(tǒng),定量泵的輸出壓力和流量不能自動適應負載的需求,存在各種能量損失。首先主要體現(xiàn)在液壓油流經(jīng)多路閥時的局部壓力損失,以及當油缸工作腔壓力達到或超過溢流閥限定的工作壓力時而產(chǎn)生的溢流損失。還有就是中位低壓卸荷損失、沿程壓力損失和為防止動臂下降過快而在回油路上設的單向閥引起的背壓損失。