挖掘機液壓系統優化設計及性能研究

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

關鍵詞：挖掘機;液壓系統;優化設計;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的工作性能，減少設備故障次數，開展針對回油背壓系統的優化設計及性能研究。通過對液壓系統中的回油背壓系統進行詳細分析，明確其組成與常見故障類型，并基于此進行優化設計。本研究主要聚焦于節流閥和單向閥的調整，特別是如何通過技術改進確保液壓油經過散熱器后順利回到油箱，從而提升系統的散熱能力和穩定性。試驗結果顯示，優化后的回油背壓系統顯著提高了挖掘機使用性能，可為相關領域提供重要參考。

1" " 挖掘機液壓系統組成及工作原理

常見挖掘機的液壓系統工作原理如圖1所示。

圖1中背壓閥總成的拆分結構如圖2所示。

控制腔內的液壓力直接控制回油背壓單向閥閥芯的工作狀態，在本研究中將其額定值設置為0.5 MPa，此結構能為液壓系統提供長期且穩定的回油背壓，并避免各設備出現缺油或吸空的情況。此外，科學的回油背壓力可以調節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構中的彈簧決定，在本次研究中啟閉值取0.7 MPa，該設計能在回油背壓單向閥工作狀態壓力過高時，提高板翅式回油散熱器的結構穩定性，避免出現破壞情況。

液壓系統的主泵壓力油在工作狀態下會經過多路閥，經其分配后進入各執行單位，然后經由回油背壓閥總成進行分液。假設此時背壓達到0.5 MPa，那么回油背壓系統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。現階段，在挖掘機工作過程中，液壓油流經散熱器時常會因其粘度提高而增加入口側的壓力，為保證整個系統的結構穩定性，會在入口側的壓力超過0.7 MPa時將部分回油經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故障信息，發現部分挖掘機液壓系統故障屬于回油背壓系統故障。為優化挖掘機液壓回油背壓系統工作性能，解決常見的回油背壓系統故障，下文將對一臺挖掘機液壓回油系統故障進行深入研究，以明確造成此類故障的根本原因。

經過現場檢測后發現，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的規定范圍。當開啟壓力超過0.7 MPa時，高溫液壓油不再經過散熱器冷卻，而是直接繞過散熱器回到油箱，導致整個系統出現過熱現象，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。經過詳細分析可知，此現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備精度是否滿足使用要求。進一步研究發現，閥芯的啟閉壓力與節流孔面積之間成反比關系，即節流孔面積減小，閥芯的開啟壓力將顯著升高，導致系統內液壓油溫度無法得到有效控制。節流孔的堵塞不僅會直接導致單向閥開啟壓力升高，還會引發一系列連鎖反應，使得液壓系統頻繁出現高溫報警，同時造成液壓油散熱器滲油故障。此現象不僅會影響液壓系統的正常運行，還可能對設備造成長期損害。因此，確保節流孔暢通，保證閥芯開啟壓力在正常范圍內，是維持液壓系統穩定運行的關鍵所在。

3" " 回油背壓系統優化設計

3.1" " 回油背壓系統優化設計思路

結合上述故障檢測與維修經驗可知，為避免節流孔出現堵塞，可增加節流孔孔徑，若增加節流孔孔徑則必須增加單向閥的控制腔面積，但結合設備的實際情況可知，控制腔的面積能夠調整的范圍較小，節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，本次優化設計通過外部油路進行控制腔的充放液，以此控制該結構的壓力，并提高回油背壓系統單向閥的響應特性，維持系統正常的開啟壓力。在實現上述方法前，需要對單向閥的壓力控制腔進行一次壓力的設定與充放液，詳細設計可在螺堵6位置處鉆孔，孔徑設置為6 mm，并在此處增加滿足充放液操作與穩壓要求的零部件，包括節流閥、分流體、單向閥以及焊接三通等[2]。詳細設計圖如圖3所示。

此部分的設計原理為：液壓油從先導系統流出，經過節流閥2進入焊接三通，然后經過焊接三通流入單向閥的壓力控制腔，使用單向閥3實現對控制腔壓力極大值的設定，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" " 節流閥優化與選取

節流閥在液壓系統中承擔為控制腔提供液壓油的功能，以確保此環節的壓力控制不受影響且穩定。以某大型挖掘機的液壓系統工作壓力為例，該設備的液壓系統設定壓力為4.0 MPa，回油背壓單向閥的開啟壓力為0.5 MPa，設備中的節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。詳細數據如圖4所示。

通過上述參數的計算和分析可以得出結論：0.8 mm的節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的流量供應產生負面影響。理論上此設計不僅能夠確保液壓系統的正常運行，而且還能夠提高系統的整體效率和可靠性，并且在實際應用中，這種配置可有效保證液壓系統的穩定性，避免因流量不足或壓力控制不當引起的系統故障，從而延長設備使用壽命，并提高其工作效率[4]。

3.3" " 單向閥優化與選取

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

4" " 優化設計檢驗

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

通過優化，在系統流量不超過1 200 L/min時，設備實際啟閉壓力從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》及相關專項試驗規范的要求。本次技術改進帶來了多方面的優點：首先，新增的0.35 MPa管式單向閥可以有效減少節流孔堵塞問題，保證啟閉壓力的穩定性。其次，優化后的系統實際開啟壓力從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。工業性試驗結果進一步驗證了優化方案的有效性和可靠性，經過超過3 000 h的工業性試驗，系統無散熱器故障記錄，此結果不僅表明技術改進成功提高了系統的散熱性能，還展示了其在長期運行中的穩定性和可靠性。

5" " 結束語

綜上所述，經過72 h不間斷工作的散熱能力試驗和超過3 000 h的工業性試驗，優化后的回油背壓系統在大型液壓挖掘機中的應用證明了其優越的性能。優化設計有效降低了設備實際開啟壓力，增強了系統的散熱能力，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定，系統在長期運行中能保持穩定性，避免常見的故障問題。

[參考文獻]

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[5] 趙子豪，林述溫，趙國朋.基于知識引導的液壓挖掘機鏟斗結構智能優化設計[J].工程機械，2022，53（7）：74-83.