装载机液压系统的热平衡原理及优化

装载机液压系统的热平衡原理及优化

1剩、压力过剩装载是一种自行式机器，包括行走、搬运、安装、拆卸、刮动和平牵引等工作方法。装载机液压系统在作业过程中存在流量过剩和压力过剩问题,有较大能量损失,且伴随热量产生。若系统本身产生的热量过多,或设计的散热系统不足以散发系统产生的热量,将导致液压系统油温升高,热平衡系统破坏,最后影响系统及元件可靠性和整机作业效率。研究热量产生的原因,从系统上减少热量的产生,对于提高整机的性能,提高整机的可靠性及作业效率具有重要意义。2多路换向阀现今市场主流ZL50型装载机的液压系统一般采用双泵合流的工作液压系统和全液压负荷传感转向液压系统。其中全液压负荷传感转向液压系统是由全液压转向器和优先阀组成,工作液压系统中用的是多路换向阀(分配阀),液压泵优先满足转向油路使用,剩余部分再供给工作油路使用,转向油路能可靠工作。两个液压系统都是定量系统,多路阀由铲斗换向阀、动臂换向阀及安全阀组成,两换向阀之间采用串并联连接油路。有些机型尚未设计液压冷却系统,油温较高,特别是在夏季露天作业时,温升很快,有的铲斗可实现自动放平,有的型号则不能实现自动放平(没设计)。装载机现行液压系统虽结构简单,性能稳定、价格便宜,但也存在不足。由于液压泵采用定量泵,定量泵输出的压力和流量不能自动适应负载的需求,作业过程都存在流量过剩和压力过剩的问题。3合理的无油液压阀的工作原理(1)油温过高会使装载机的动臂举升无力、迟缓,转向费力,整机故障率增加;工程进度及装载机的使用寿命也受到影响。(2)油温过高会使液压油的粘度降低、油泵和液压阀件的磨损加剧、运动件动作不灵或“卡死”、泄漏增加。泄漏增加既可使系统容积效率降低,还会使油温进一步上升,严重影响整机工作性能。(3)油温高会使密封件和高压软管加速老化,寿命降低。(4)油温过高产生的沉积物会使液压系统内的小孔和缝隙堵塞,整机的正常工作受到影响。(5)根据调查显示,ZL50装载机液压系统油温在50℃时,动臂提升时间为8s,当液压系统油温升高到90℃时,动臂提升时间变为8.6s。4系统发热量装载机液压系统中产生的热量主要有液压油流经各类液压元件时因存在局部压力损失而产生的;定量泵系统中的溢流阀在不同工况下溢流损失是产生热量的另一重要原因;此外,各种泄漏损失、摩擦损失、液压油液的污染、空气的进入和气蚀现象也会使系统的发热量加大;被这些元件消耗的液压功产生的热量大部分将使油液发热,只有其中一小部分使元件本身局部发热。装载机液压系统工作时存在不可避免的能量损失,会产生大量的热量,使油温升高。装载机液压系统中若未安装液压油冷却装置,产生的热量滞留在系统内散发不出去,将引起油温升高。下面重点从液压油流经各类液压元件时存在压力损失和溢流损失产生的热量引起温升方面来进行试验分析。4.1主要测试设备波谱WS-5921D/U系列多种传感器信号数据采集仪及分析系统一套;8支压力传感变送器;各种测压接头;笔记本电脑一台等。4.2压力损失及分析(1)分别在发动机中速、高速情况下,测试装载机单独转向时相应点的压力。从图1、图2所示的两幅压力测试曲线可以看到,装载机在发动机处于不同的转速下单独转向时,油液通过管路、优先阀、转向器及管路时都会有压力损失。该压力损失随着发动机转速的增大而增大。低速转向时各元件引起的压力损失要小于高速转向时各元件起的压力损失。转向器是位置伺服系统,存在原理性的节流损失,转向系统的效率较低。如图3、图4,空载中速、高速转斗时压力都比较小,举升时,分配阀出口和动臂缸无杆腔之间压力损失大约为0.8MPa,比较大,空载高速工况铲斗转斗时转斗缸无杆腔压力很大,2.9s左右溢流阀产生溢流,溢流后系统压力降低。(3)分别在标准装载工况、复合工况、满载工况下,完成装载机工作装置的插入、收斗、动臂举升、卸斗、动臂下降等循环动作,分别测试装载机各工况下相应压力点的压力。各压力曲线如图5~图10。从图5可以看出,转向泵和工作泵之间存在一定的压力差,该压力差为通过合流单向阀及沿程管路的压力损失,该损失不大。①插入工况:铲斗液压缸和动臂液压缸此时是闭锁的,液压系统处于卸荷状态。虽然系统压力很低,但发动机还在高速运转,液压泵的输出流量仍然很大。存在分配阀中位低压卸荷损失。②收斗过程:此时动臂换向阀为中位。液压油流经转斗液压缸换向阀,在这个阶段系统处于合流状态(图5)。在不同工况下,液压油流经分配阀及流到转斗缸无杆腔都存在压力损失(图6、8、9),转斗无杆腔压力存在波动,满载时铲斗无杆腔压力波动则更大(图6)。③当装载机转斗到达收斗限位时:转斗油缸无杆腔压力会上升到设定的极限值致使溢流阀开启溢流,造成系统的功率损失。此压力峰值是因转斗油缸换向阀尚未回到中位,该现象在每次铲斗转到极限位置时均会发生(图3、4、6),铲斗到达收斗限位只是一个瞬时冲击过程,溢流卸荷时间很短,但溢流阀的调定压力很高,故产生的热量较多。④收斗完成至动臂将要举升时:分配阀处于中位,工作泵及转向泵卸荷。转斗油缸两腔闭锁,无杆腔压力处于高压力16.5MPa,有杆腔压力很低。动臂油缸下腔压力较低,该压力是由动臂及铲斗重量引起的。⑤装载机动臂提升过程:转斗油缸换向阀在此过程为中位,液压油流经动臂液压缸换向阀,系统为合流状态(图5)。动臂提升时动臂液压缸要求快速平稳地运动,故工作装置液压系统处于高压大流量状态,不会产生溢流损失,液压系统的功率损失主要是动臂换向阀在不同工况下节流口处产生的节流损失,还有沿程及通过换向阀的压力损失(图6~图9)。液压油流经分配阀及流到动臂缸无杆腔都存在压力损失(图6~图9),不同工况下动臂提升时动臂无杆腔压力不同,在不同工况下,液压油流经动臂换向阀时的压力损失也不同(图3、图4、图9)。在高速工况下的压力损失较大,低速时压力损失较小。分配阀到动臂无杆腔有压力损失,大约0.6MPa。动臂提升过程中动臂无杆腔压力随着动臂位置角的变化而增加,动臂有杆腔压力都很小,平均0.4MPa,最大约0.8MPa。此时转斗油缸无杆腔压力变化不太大,比较平稳。⑥铲斗卸斗:铲斗卸斗时存在超越载荷,因此此时转斗油缸两腔的压力均处于下降状态(图6、图9、图10),工作泵压力很小,功率损失也很小。当铲斗运动到极限位置时,有杆腔的压力将急剧上升,并有较大的压力波动,这种压力波动在满载工作时显得更加明显。铲斗卸斗后要有一个收斗过程,此时,压力波动比较大(图6~图10)。液压油经过铲斗液压缸换向阀时有压力损失,但由于压力差很小,故功率损失很小,产生的热量也不多。⑦动臂下降:动臂是靠其自重下降的,且下降的速度很快,故需要的流量相应也很大,容易造成冲击,损坏工作装置各元件。铲斗在空载的状态下收斗到水平位置。在收斗到水平工况过程中,装载机工作装置液压系统处于轻载、大流量状态。系统各压力点压力都较小,但有一定的波动。⑧铲切作业:铲斗在铲切作业时,若遇到很大的铲切阻力,工作装置液压系统就处于高压小流量状态。此时大部分过剩油液将在高压下通过溢流阀流回油箱,进而产生大量的热量,使液压系统的液压油温度升高,系统发热。5溢流损失的概念装载机现行液压系统基本上是双泵合流的定量泵系统,定量泵的输出压力和流量不能自动适应负载的需求,存在各种能量损失。首先主要体现在液压油流经多路阀时的局部压力损失,以及当油缸工作腔压力达到或超过溢流阀限定的工作压力时而产生的溢流损失。还有就是中位低压卸荷损失、沿程压力损失和为防止动臂下降过快而在回油路上设的单向阀引起的背压损失。