裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的熱平衡原理及優(yōu)化

裝載機(jī)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(jī)器，包括行走、搬運(yùn)、安裝、拆卸、刮動和平牽引等工作方法。裝載機(jī)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(shè)計的散熱系統(tǒng)不足以散發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量,將導(dǎo)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(jī)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(jī)的性能,提高整機(jī)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(jī)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(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)。其中全液壓負(fù)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(jī)型尚未設(shè)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(shí)現(xiàn)自動放平,有的型號則不能實(shí)現(xiàn)自動放平(沒設(shè)計)。裝載機(jī)現(xiàn)行液壓系統(tǒng)雖結(jié)構(gòu)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(yīng)負(fù)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(jī)的動臂舉升無力、遲緩,轉(zhuǎn)向費(fèi)力,整機(jī)故障率增加;工程進(jìn)度及裝載機(jī)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(yùn)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(jìn)一步上升,嚴(yán)重影響整機(jī)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(jī)的正常工作受到影響。(5)根據(jù)調(diào)查顯示,ZL50裝載機(jī)液壓系統(tǒng)油溫在50℃時,動臂提升時間為8s,當(dāng)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(jìn)行試驗(yàn)分析。4.1主要測試設(shè)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(jī)中速、高速情況下,測試裝載機(jī)單獨(dú)轉(zhuǎn)向時相應(yīng)點(diǎn)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(jī)在發(fā)動機(jī)處于不同的轉(zhuǎn)速下單獨(dú)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)裝載工況、復(fù)合工況、滿載工況下,完成裝載機(jī)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(jī)各工況下相應(yīng)壓力點(diǎn)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(jī)還在高速運(yùn)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(dāng)裝載機(jī)轉(zhuǎn)斗到達(dá)收斗限位時:轉(zhuǎn)斗油缸無桿腔壓力會上升到設(shè)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(dá)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(jī)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(yùn)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(dāng)鏟斗運(yùn)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(yīng)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(jī)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(diǎn)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(jìn)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(jī)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(yīng)負(fù)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(dāng)油缸工作腔壓力達(dá)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(shè)的單向閥引起的背壓損失。