新工程机械液压系统问题研究

1、工程机械液压系统问题研究宫铁成，何君珂黄河工程机械集团公司.西安.710086摘耍：本文对工程机械液压系统有关问题，通过理论分析和实例进行了描述,并就对策和预防方法从设计、操作使 用角度作了一些建议。关键词：液压；问题；分析；研究小图分类号：文献标识码：文章编号：the study on problems in hydraulic system of construction machinerygong tie-chenghe jun-kehuanghe construction machinery group co.ltdxian 710086chinaabstract : the prob

2、lems in hydraulic system of construction machinery are described through theoretical analysis and example description . concrete countermeasures and prevention measures are suggested as viewed from the aspects of design and its operation .key words : hydrostatics ; problems ; analysis ; study随着我国采取积

3、极的财政政策、投资拉动的深入进行，随着“西部人开发”的启动，工程机械 行业异军突起，发展很快。而伴随着机型不断增加，性能要求不断提高，液压技术的应用亦越来越 广泛，越来越璽要，更冇越来越多的液压系统技术问题需要我们去分析、去研究、去解决。一、液压系统能量损失分析及节能措施研究随着人们对坏境保护意识的不断捉高，乂加之世界范围内儿次能源危机的影响，对工程机械的 节能要求也在不断提高，尤其在全液压控制的挖掘机上表现更为突出。其主要目标就是减小其至消 除各种能屋损失，减少系统发热，降低燃油消耗，改善动力系统与工作负载的功率匹配，提高设备 运行的可靠性少工作寿命，从而取得较好的经济效益和社会效益。以下以

4、液压挖掘机为例，对系统能量损失进行简要分析并对现行系统节能措施进行阐述1、系统能量损失分析挖掘机由于实际工作环境多变，其负载变化较人，故系统能蜃损失主要为：（1）溢流损失：挖掘机超载时安全阀（过载阀）打开，发动机全部功率消耗在溢流阀上；同时 在挖掘机回转启动和制动过程中也会造成溢流损失。（2）节流损失：因为挖掘机采用多路阀作换向及流最控制，在调节过程屮大量的液压汕从旁路 回汕箱，造成系统功率损失。另外在挖掘机动臂卜降时，动臂上单向节流阀也会造成节流损失。（3）发动机工作于高耗汕区：从发动机特性1111线上看，发动机的理想工作点应位于低耗汕区； 但由于挖掘机工作负载的多变性，使发动机工作点经常处

5、于高耗油区，造成能量损失。2、节能解决措施研究针对挖掘机系统功率损失种种原因，各国液压专家经过不断地分析和研究，开发出多种液压系 统节能技术：从20世纪70年代所采取的流量控制技术到20世纪80年代所采取的负流量控制技术 等，特别是负流量控制，消除了挖掘机多路阀的节流损失，起到了一定的节能效果，并被广泛采用; 但英存在明显的局限性：多路阀调速范围冇限，受负载影响较人。为此为克服多路阀的结构局限， 进一步提高挖掘机系统效率，于20世纪90年代产生了负荷传感控制技术，简化了液压系统，克服收稿口期:了系统节流损失和溢流损失，使系统效率和操作性能得到显苦提周，据有关资料统计，与普通液压 系统相比，釆用

6、负荷传感控制的液压系统不仅能有效地控制系统发热，延长液压汕使用寿命，而且 还能使燃料节约10%40%,所以目前该项技术在工程机械上得到了广泛应用。西安黄河挖掘机厂所 生产的2040吨级挖掘机均采用负荷传感控制技术，并r得到广大用户的肯定。如图1所示为0i.ss 系统总体油路布置图：.1ea b操纵阀司服缸司服缸泵 制 控n ril-操纵阀图1： olss系统总体油路布置iconograph l:the disposal of olss collectivity vitta同时，工程机械所用的液压泵口身也设置了相应的节能控制功能，如压力切断、交叉功率传感 控制和扭矩调节等；为减小挖掘机回转动能损

7、失，加装蓄能器，冋收挖掘机冋转制动时的动能，并 在回转启动时释放等。另外，液压系统功率匹配控制也是实现挖掘机节能控制的根本途径么一，通过采用变量泵与发 动机联合调节的方法，实现分段功率控制，使液压系统充分吸收发动机发出的额定功率，同时在工 作负载较小的情况卜发动机运行在经济功率工况，挖掘机不工作时，发动机处于怠速状态，以此 降低油耗，减少功率损失，延长设备的使用寿命。综上所述，随着机电液一体化技术的逐步成熟，发动机电喷技术的推广应用，负荷传感控制技 术的深入研究，液压系统功率匹配技术长足发展，工程机械（挖掘机）液压系统节能控制必将更加 冇效，系统性能更为可靠，各项新技术的应用必将倍受国内外工程

8、机械生产厂商青睐，成为产品市 场竞争的关键点。二、液压系统污染的分析和解决措施从我们平时接触到的工程机械经常发生的故障分析，液压系统故障占比例较大，而70%80%的 液压系统故障又是由于污染而引起的，因此，认真地研究、分析污染产生的原因并找出相应的措施 解决，是十分必要的。1、液压系统污染物成因分析：在对液压系统的污染物及其危害进行分析时，首先，我们应找出污染物的成份和侵入的途径， 以便对症下药。通常可从三个方面着手：3、分析杂质的种类、形状、大小、数量、物理性质（如粘度、比重、润滑性）、化学性质（如 酸性、色度、添加剂）。b、分析杂质给液压系统造成的危害程度、影响部位。c、分析杂质产生的原因

9、、来源、侵入的途径。造成液压系统污染的杂质种类较多，來源也很复杂，但从液压系统故障的具体情况分析，其中 主要的为颗粒状杂质、气体和水分。a颗粒状朵质：该类杂质的来源主要冇三种途径： 、系统试运行前（零部件加工、装配阶段）即侵入，如焊渣、砂粒、金属屑、密封件碎片、 油漆等。 、系统运转过程中由外部侵入，如从油箱、液压缸活塞杆、管口接头处侵入的灰尘及其它固 体颗粒等。 、系统运转中由内部产生，如泵、阀、马达、密封件等的磨损粉末、铁锈、汕漆等。b、水分：水分一般是从液压油箱小的间隙及过滤器随空气侵入的。当液压油面或温度发生变化时，空气 中的水蒸气会达到雾点，形成水滴，随液压油侵入到系统的各个部位。c

10、、空气：空气侵入液压系统的途径更多，其中主要有：吸汕口吸入的空气、液压元件泄漏处进入的空气、 油液冲击产生的气泡、断面和油液流速急剧变化时混入的空气、回油路带入的空气等等。应该引起我们注意的是：只要系统运行，就会有杂质产牛并沉积，从而引起液压系统各种故障。而通常这样的沉积主要 发生在： 、泵、阀类元件：主要在阀芯和阀体接合处。 、液压汕缸：通常在缸端部、底部、接头弯曲处、密封处等。 、液压油箱：一般在底部、过滤器外缘、空气滤清器滤网、注油口滤网等处。 、油管及其它辅助元件：如油管内壁和底部、磁性油塞等。2、污染物在液压系统中造成的损害：研究、分析污染物在液压系统中所造成的危害，这是我们掌握此类

11、液压系统故障原因，并找出 解决办法的个重要方而。通常，污染物对液压系统所造成的危害主耍表现在以下几个方面：a、系统产生强烈的振动和噪声，有时难于止常工作。b、液压汕受污染，从而引起汕质劣化，严重时则系统无法运行。c、液压管路和元件堵塞，造成元件界常磨损甚至损坏，系统效能降低甚至不能运转。d、密封圈、密封填料磨损甚至损坏，无法使用，失去密封作用，更进一步造成污染。e、液压系统汕温升高，泄漏加剧，严重时则肓接影响机器正常t作，英至造成有关元件严重损 坏。f、在众多的污染源中，人们往往忽视了空气的破坏作用，其主耍原因在于直至冃前，述不能用 数据定量地描述其对系统危害的程度，但必须注意的是：油液中过量

12、的空气对液压系统造成的危害 的确不可低估，其主要表现在： 、产生噪声和气蚀作用，损坏系统元件，影响系统正常运行。空气在液压系统中通常以三种形式存在：一是以自由空穴的形式存在于系统的高点；二是以细 小气泡的形式悬浮于液体中；三是溶解于液体中。由于空气在液体屮的溶解度与液体的压力成正比，与液体温度成反比，所以当汕液从高压区流 入低压区或温度升高时，溶解在液体中的空气就分离出來，形成白由气泡，使管道或元件屮的液压 油成为不连续状态，即人们常说的“气穴”。气穴形成后，如果油液再次流过高压区，气泡将会迅速 破裂，包围在气泡周围的液体质点就会向气泡中心冲击，引起局部高温和高压，同时出现噪声和振动，并因气泡

13、破裂产生的撞击力，可导致金属衣面材料剥落，损坏液压元件，降低元件使用寿命。 、产生振动和“爬行”现象，降低系统稳定性。_我们知道，液压系统的固冇频率f正比于液压系统的当量体积弹性模量ke的平方根，即：f- 丁仏，而液压系统的当量体积弹性模量ke的人小乂和空气含量的关系存在下式：1 /ke=l/kf+l/kg+va/kavt o其中：kf无气液体的体积弹性模虽；ka液体中空气的体积弹性模量；血一液压系统中管件及缸体的体积弹性模量；vt液、气总体积；也一液体中气体的体积。由于kf和kg都远远人于岛，所以va/vtka项对ke的影响较人。若含气量va增加，则ke降 低，从而系统的固有频率f降低，人人

14、的降低了系统的稳定性。同时由于气穴的作用，使液体的局 部流速、流量、压力不断地发生变化，使系统产生振动，导致稳定性降低。 、液体的含气量增多，会导致液压泵的容枳效率下降，加大能量损失，影响系统正常运行。 、加速油液变质，这主要是山于气泡在高压区受压缩变小或爆裂产生瞬间高温，以及气体的 存在会产牛较强的热阻，不利于系统散热而引起的。 、由于传动刚度和精度少液体的实际体积弹性模量有直接关系，气体的存在，使ke急剧下降, 从而会降低系统精度和刚度。3、解决措施：从上述可以知道，污染物的存在会对液压系统造成危害，甚至影响到系统的正常工作。因此， 我们的解决措施，就是注意把住儿个关键环节，切断污染物的侵

15、入途径，其小最主要的是液压汕缸 和汕箱两个部位。a、液压缸：活塞杆伸出端是污染物侵入的主要途径z。所以在工程机械产品上，冃前普遍在活塞杆压力 密封外端设置防尘密封（一种带唇部、带骨架或无骨架的胶圈）以防止外界污染物侵入，其性能对 可靠保护液压系统有重要作用，一旦失效，会导致活塞杆压力密封迅速磨损失效。但是，尽管防尘密封能有效地防止污染物侵入汕缸内，由于密封唇部具有一定弹性，且密封圈 和活塞杆z间存在一层极薄的油膜，因而总会有一部分污染物侵入内部。从实验和平吋的工作实践 我们了解到：防尘密封的防尘性能与油液的污染浓度、活塞杆行程冇关，污染浓度越大，活塞杆行 程越大，系统受污染程度越人。如图2所示

16、。iconograph 2:dustproof sealed performance test curve图2：防尘密封性能试验曲线为解决这个问题，液压缸的活塞密封面一-般采用活塞压力密封和防尘密封的组合形式。防污物 侵入性能为各单个密封防尘性能的综合，分别如图3和图4所示。图3：组合密封防尘性能图4：组合密封污染侵入illi线iconograph 3:assembled sealed dustproof performance curve iconograph 4:assembled sealed polluted inrush curve在工程机械产品上，目前一般采用的液压汕箱均是通过呼吸

17、孔与外界人气相通。当汕箱液面下降时，大气中的尘埃和水分会随外界空气被吸入油箱。使系统油液受到污染，这是我们应该认真防 范的部位。 、空气中水分：在汕箱呼吸孔上设置带有t燥器的空气过滤器，除去吸入空气小的水分。t燥器是山多孔具有浸透性细颗粒状物组成的分子筛，其除水机理主要是吸收水。同时要注意：当油箱的液面低于系统回油口时，油液受到激烈扰动，就会将空气卷入，因此，系统冋汕管下端必须浸没在汕面以下，以防止空气侵入。 、空气尘埃：主要方法是在油箱呼吸孔上加装空气过滤器，从而将杂质滤掉。 、液压油中气泡：在进入液压泵吸油口前可以通过滤网去掉。从试验结果和工作经验可知：除气效率和滤网网孔人小、布査角度及汕

18、液通过滤网速度有关。从图5可以看出，滤网越密，流速越低，除气效率越高。从图6可知，在不同的流速下，滤网倾角为2 0。时除气效率最高。流量c l / min niconograph 5: relation of filtratemesh density, flux iconograph 6: relation of filtratemesh obliquity and remove efficiencyand remove efficiency图5：滤网密度、流量与除气效率关系图6：滤网倾角与除气效率关系当然，为使液压系统污染能得到更进一步的控制，还有一种有效的办法，那就是釆用全密闭油 箱。除了

19、上述以外，通常还可以采取卜-述办法： 、合理设计系统结构，如在系统最高处设置排气塞或排气阀；回油口断而做成斜而以减少回 汕涡流和搅动；避免或减少使用节流阀等等。 、在使用或维修屮防止空气污染，如保持汕箱屮足够汕液，汕类不可用混：定期清洗过滤器 和散热装置，避免液压泵因吸油不畅和油温过高而形成系统的局部真空；避免工作载荷的急剧变化 等等。三、液压系统汕液温度过高的分析及解决工程机械产品的液压系统在使用过程屮常会遇到系统过热的问题，以至有时严重影响到机器的 正常可靠作业。1、系统温度过高原因分析：通常，液压系统过热的产生有两个因索，一是系统内部产主热量过多；二是系统散热能力不足, 例如功率损失多、

20、组件损坏、油液污染、空气进入、结构设计不合理等等。就发热热源来讲，系统中所冇运动组件、流体介质在工作过程中都会产生热量，归纳一下，冇 以下几个方血： 、动力系统（如泵）的功率损失；定量泵系统中的溢流损失； 、执行元件（如液压马达、液压缸）的泄漏与机械损失；、管道沿程压力损失和液压阀本 身的压力损失； 、汕箱散热面积不足，冷却器热交换量不足，环境温度过高； 、系统中混入气体较多； 、机体磨损等等。从日常工作中所接触到的情况看：溢流阀、伺服阀以及转向器等压力、流量变化大的部件是液 压系统屮的重要的热量产生源。由于节流孔和阀对液流起节流和压力控制作用时会产生热量，尤其 是溢流阀开启时，大量的汕液从高压腔通过溢流阀小孔泄回低压腔，使汕液所协带的压力能瞬时转 化为热能，其中大部分使油液发热，一小部分则使阀体本身发热。同时，液压管道、管接头、滤油器及各种组件（如马达、阀等）中的阻力降（或称沿程压力损