D85推土机燃油系统故障分析与改进

马晓丽，檀丽宏

（中国北方发动机研究所，山西大同037036）

采用PT燃油系统的柴油机具有供油压力低、喷射压力高、供油无冲击、动力范围宽广、易采用电子控制等诸多优点而被工程机械、矿山机械广泛应用。但是，使用中发现该系统仍存在问题。日本小松公司生产的D－85系列推土机在使用过程多次发现该机停止使用一周后无法重新启动。针对该问题，对该机PT燃油系统组成、零件结构进行多方位的检查与分析，认为引起该故障的主要原因与浮子油箱结构有关。为此，针对系统相关零件进行结构改进，同时提出燃料品质、维护保养要求。改进结构经试验验证，效果极佳，综合性能及可靠性满足使用要求。

1 问题分析

D85A推土机采用了PT供油系统，系统主要由主油箱、进油管、浮子油箱、燃油滤清器、PT供油泵、喷油器、回油管等部件组成。其系统结构见图1。

由图1可以看出，主油箱燃油出口高于喷油器进口中心，而喷油器的油量控制口的开启和关闭是由供油凸轮控制的，当柴油机熄火后，至少有一个喷油器处于开启位置，此时回油管的燃油就会经过开启的喷油器流入燃烧室。浮子油箱就是为解决此问题而设计的，而故障恰恰是由此发生的。根据故障现象，对系统所有部件进行拆检发现：燃油质量差、长期使用维护保养不当，浮子油箱内大量聚集污垢颗粒及水分，使得浮子油箱密封钢球磨损，密封效果明显下降。由于浮子油箱密封钢球失效，燃油在柴油机停机时充满浮子油箱，在主油箱与浮子油箱的压差作用下逐渐充满回油管，并通过打开的喷油器大量进入燃烧室，从而导致柴油机不能正常着火。

2 系统结构改进与优化

通过分析D85A推土机PT供油系统结构及使用过程出现的故障，在不影响整体结构布局的前提下，提出了行之有效的解决方案。改进后PT供油系统结构见图2。

2.1 方案设计

（1）取消浮子油箱，在燃油滤清器与PT泵之间的燃油管上增加一个进油单向阀，达到原浮子油箱的功能，单向阀的基本结构与工作原理见图3。

图1 D85A推土机PT供油系统

图2 改进后PT供油系统结构

图3 单向阀的基本结构与工作原理

（2）在喷油器至油箱的回油管路上反向安装一个单向阀，起到安全保护作用。

2.2 系统参数确定

改进工作的关键在于进、回油阀流量、开启压力的匹配，保证PT供油系统能够正常工作。因此，需要对柴油机工作时进、回油阀工作状态进行分析，对阀流量、开启压力进行理论计算，提出相对合理的系统技术参数，为单向阀的结构设计提供依据。

柴油机工作时，进、回油阀必须同时打开，且阀的开度随柴油机转速升高、油量增大而增大。根据图2的PT供油系统结构分析，当PT燃油泵内置的齿轮泵吸油真空度大于单向阀5的预压力与油箱燃油压力差时，进油单向阀打开，燃油经单向阀→PT燃油泵→喷油器→燃烧室。喷油器没有喷出的多余燃油→回油单向阀→油箱。

柴油机最大功率点需要的油量最大，此时，单向阀的开度最大。在该状态下（图3）选取Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ两个截面进行分析。由单向阀结构看出，Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ两个截面燃油流动为渐变流，由伯努利方程得出：

式中P1为截面Ⅰ－Ⅰ处燃油压力，Pa；P2为截面Ⅱ－Ⅱ处燃油压力，Pa；V1为截面Ⅰ－Ⅰ处燃油流速，m／s；V2为截面Ⅱ－Ⅱ处燃油流速，m／s；H1为截面Ⅰ－Ⅰ处流体势能，m；H2为截面Ⅱ－Ⅱ处处流体势能，m；γ为燃油比重，kg／m3（柴油比重：810 kg／m3）；g为重力加速度，m／s2（9.8 m／s2）；h f为沿程能量损失，m。

截面Ⅰ－Ⅰ参数确定：

由于Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ两截面所取截面接近，则认为H1＝H2；

根据结构设计，Ⅰ－Ⅰ截面积远远大于Ⅱ－Ⅱ截面，故认为V1小于V2，可忽略不计，压力损失为0。得出下式：

通过Ⅱ－Ⅱ截面的理论流量Ql为：

式中Ql为通过Ⅱ－Ⅱ截面的理论流量，m3／s；A为Ⅱ－Ⅱ处截面积，mm2。

由于流通端面收缩产生局部压力损失，实际流量要小于理论流量。根据经验，流量系数φ通常在0.6～0.7范围内选取。

通过Ⅱ－Ⅱ截面的实际流量Qs为：

式中Qs为通过Ⅱ－Ⅱ截面的实际流量，m3／s。

2.3 进油单向阀结构参数确定

（1）单向阀有效内径设计

单向阀直接装在原机PT燃油系统燃油管上，故单向阀进、回油口有效内径与原机油管相同。

（2）单向阀工作压力范围计算

根据单向阀在PT供油系统结构布置位置，单向阀进口压力可依据流体静力学方程式和帕斯卡定律进行计算，其计算式为：

式中P1max为单向阀进油孔处最大油压，Pa；hmax为油箱最高液面到单向阀进油孔中心高度，mm；P1min为单向阀进油孔最低油压，Pa；hmin为油箱最低液面到单向阀进油孔中心高度，mm。

由此确定单向阀进口工作压力范围。

（3）作用于球阀上的压力计算

由单向阀的结构可以看出，作用在钢球上的压力Pq范围为：

（4）球阀钢球直径选取

根据经验球阀钢球直径取值范围通常为燃油进口通径的1.2～1.3倍即可。

（5）弹簧预紧力设计

为保证柴油机停机时，球阀在弹簧力的作用下迅速落座，关闭油路，弹簧预紧力的设计应大于油箱最大静压力。为提高阀的工作可靠性，一般弹簧预紧力设计为油箱最大静压力的3～5倍。即：

（6）弹簧开启压力校核

PT燃油泵内的齿轮工作产生的吸油真空度Pbk与油箱静压力P1的合力大于弹簧的预紧力Pty时，球阀被打开，燃油进入燃油泵。因此，Pbk、P1与Pty的关系式为：

（7）单向阀流量校核

单向阀流量可用式（5）计算，计算出流量Qs应大于PT燃油泵的实际供油量即满足使用要求。

2.4 回油单向阀参数确定

回油阀设计方法与进油阀相同，仅设计数据不同而已，在这里不做赘述。

3 维护与保养

及时更换燃油滤芯（约500 h），清洗油箱及油箱内滤网（3个月），保证燃油品质，减少系统故障，提高设备完好率。

4 结论

（1）单向阀结构简单易实施，并保证原有系统性能特点。

（2）提高设备工作可靠性，降低维护、保养成本。

（3）此改进方法适用于所有采用浮子油箱结构的PT供油系统机型，具有显著的经济效益。

［1］罗惕乾.流体力学（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］甄凯玉.怎样维修PT燃油系统［J］.矿山机械，1997，（2）：9－11.

［3］杨本落.流体运动基本分析［M］.北京：北京科技出版社，1996.