液压挖掘机液压系统预热方式分析

石立京，周 显，周开坤，孙文庆

（徐工矿业机械有限公司，江苏 徐州 221000）

液压系统是工程机械中的一个重要部分，液压系统具有体积小、重量轻、功率密度大、工作平稳且可实现无极调速等优点，应用日趋广泛。但液压系统对液压油粘度要求较高，尤其在较低气温环境下，如果不采取预热方式，将会导致液压元件失效，从而带来停机导致较大的经济损失。

1 液压元件对液压油黏度要求

根据不同环境温度采用不同黏度的液压油，液压油选用温度范围见图1。

图1 液压油选用温度范围

液压挖掘机通常采用斜盘式柱塞变量泵，该规格柱塞泵要求液压油的粘度范围为10～1000mm2/s。其中液压油粘度v=10mm2/s，要求短时间内（t＜3min）；液压油粘度v=1000mm2/s，要求短时间内（冷启动时，工作粘度在15min内应达到100mm2/s以下）。液压油粘度在16～100mm2/s范围内，机器可以连续操作。最佳工作的粘度范围为16～36mm2/s。液压油粘度和温度关系曲线见图2。

2 液压系统预热方式

根据环境温度的不同，液压系统预热方式通常分为液压系统启动前预热和启动后预热。为了降低液压油采购成本，客户在冬季采用通用油而非冬季专用油。某些低温性能较好的液压油高温性能比较差，例如壳牌S4 VX系列液压油能够在环境温度为-50℃地带工作，但要求用于持续油温不超过75℃液压系统，启动前预热采用加热器及外部加热方式。本文着重介绍液压系统加热器预热，将液压油加热到粘度≤1000mm2/s，根据采用的不同油品来确定加热温度值。启动后预热通常采用节流和溢流预热，使得液压油粘度达到100mm2/s以内，根据采用的不同油品来确定加热温度值。液压系统预热的前提需要将发动机进行怠速暖机，根据水温分3种情况：（1）如果水温≥0℃，发动机暖机时间大约需要15min；（2）如果-18℃≤水温≤0℃，发动机暖机时间大约需要30min；（3）如果水温＜-18℃，发动机需要采取特殊方式进行启动和暖机。

图2 液压油粘度与温度关系

2.1 主油路节流自动预热

大型液压挖掘机在怠速情况下，主泵的流量经过主阀后回到液压油箱。为了降低能量损失，此时主泵出口的压力比较低。通常正流量液压系统只有3～5bar，所以这时液压系统预热时间比较长。如果急于操作机器，会对液压元件造成损害。首先发动机经过暖机，将转速设定为中速（通常为1400～1500rpm）。当安全手柄处于锁止状态，通过油温传感器实时监控液压系统温度。检测到液压油温低于25℃，自动预热功能将启动。在主泵出口和进口设置三位二通电液换向阀，正常工作时处于完全打开状态，降低压力损失。自动预热状态时，该换向阀处于节流状态，增加主泵出口压力，加速液压油温升。通常主泵出口压力设定为10～15MPa，加热时间大约为15min。

如果安全手柄打开，该换向阀切换到完全打开状态，否则会影响正常操作，但仪表会提示司机预热操作。如果液压油温高于25℃，自动预热功能取消。当处于怠速且不需要预热时，该阀处于关闭状态，即闭中心，将主泵的流量降到最低仅满足泄漏量和润滑要求，降低液压系统能耗。液压原理见图3。

2.2 主油路溢流主动预热

发动机预热后，将其转速设定为中速（通常为1400～1500rpm），缓慢移动手柄使铲斗外摆并保持不动。由于铲斗油缸完全收回，主泵流量通过主阀溢流阀后回到液压油箱，溢流产生的能量加热液压油。运转发动机5min，将发动机转速调整为最高转速，缓慢操作动臂、斗杆和铲斗动作使液压油缸至行程末端。缓慢操作行走和旋转功能，只允许进行短距离操作，将液压油温上升为标准值且动作时间正常。每次连续溢流的时间不能超过10s，且务必要有5～10s时间间隔，否则会导致主控制阀因温度过高出现故障。

2.3 采用加热器预热

在液压系统启动前通常采用加热器预热形式，液压油采用浸入式加热器和强制循环加热系统。

金属管电热元件首先要满足JB/T 2379-2016标准要求，其次还要考虑表面负荷参数，主要涉及液压油的热稳定性，温度过高会致液压油老化、炭化等。壳牌液压油的表面负荷≤11.5kJ/m2。在选用时主要考虑加热器是安装在非流动介质或流动介质。在自然对流状态下，润滑油的对流传热系数只有67～114W/（m2K）。在强制对流状态下，润滑油的对流传热系数一般为170～280W/（m2K）。当加热到指定温度时，加热器自动停止加热，加热器本身可集成该功能。加热时间和油品种类确定之后，可计算加热器所需总功率

式中P——加热器所需功率，kW；

V——液压油体积，m3；

c——液压油比热容，J/kg·K；

ρ——液压油密度，kg/m3；

T1——目标温度，℃；

T2——初始温度，℃；

Z——加热时间，h。

2.4 减少散热加速预热

通过减少液压油散热同样可以加快液压系统预热，通常采取降低风扇转速和风量。大型液压挖掘机出于节能考虑，液压油和发动机采用独立散热。液压油温度低于25℃时，独立散热泵出口流量直接回到液压油箱而非驱动液压马达。此时风扇转速为零，加快液压油温升，同时降低液压系统能耗。液压原理见图4。

图4 风扇零转速驱动液压原理图

3 结束语

大型液压挖掘机在低温情况下采用高粘度指数液压油，在液压系统启动前和油温低于25℃时，需要对液压系统预热。本文就其主要预热形式——节流预热、溢流预热和加热器预热等进行了阐述。