挖掘机液压系统优化设计及性能研究

摘要：为提高挖掘机液压系统的工作性能，减少设备的故障次数，研究将重点对液压系统中的回油背压系统进行分析，明确回油背压系统的组成与常见故障类型，并以此为基础对其进行优化设计。优化重点对节流阀与单向阀进行调整，并考虑优化成本问题，由试验结果可知，经过优化后回油背压系统的单向阀能够有效避免堵塞，并确保液压油经过散热器后再进入油箱。由此证明，优化后的挖掘机液压回油背压系统具有良好的使用性能，可为相关人员提供参考。

关键词：挖掘机;液压系统;优化设计;性能

中图分类号：TH137" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）24-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.009

0" " 引言

为提高挖掘机液压系统的工作性能，减少设备故障次数，开展针对回油背压系统的优化设计及性能研究。通过对液压系统中的回油背压系统进行详细分析，明确其组成与常见故障类型，并基于此进行优化设计。本研究主要聚焦于节流阀和单向阀的调整，特别是如何通过技术改进确保液压油经过散热器后顺利回到油箱，从而提升系统的散热能力和稳定性。试验结果显示，优化后的回油背压系统显著提高了挖掘机使用性能，可为相关领域提供重要参考。

1" " 挖掘机液压系统组成及工作原理

常见挖掘机的液压系统工作原理如图1所示。

图1中背压阀总成的拆分结构如图2所示。

控制腔内的液压力直接控制回油背压单向阀阀芯的工作状态，在本研究中将其额定值设置为0.5 MPa，此结构能为液压系统提供长期且稳定的回油背压，并避免各设备出现缺油或吸空的情况。此外，科学的回油背压力可以调节管道中液压油的刚度。散热器保护单向阀中的阀芯开启压力主要由自身结构中的弹簧决定，在本次研究中启闭值取0.7 MPa，该设计能在回油背压单向阀工作状态压力过高时，提高板翅式回油散热器的结构稳定性，避免出现破坏情况。

液压系统的主泵压力油在工作状态下会经过多路阀，经其分配后进入各执行单位，然后经由回油背压阀总成进行分液。假设此时背压达到0.5 MPa，那么回油背压系统中的单向阀将会打开，让液压油通过散热器进行冷却，再流入液压油箱。现阶段，在挖掘机工作过程中，液压油流经散热器时常会因其粘度提高而增加入口侧的压力，为保证整个系统的结构稳定性，会在入口侧的压力超过0.7 MPa时将部分回油经过背压阀总成直接回到液压油箱[1]。

2" " 故障原因排查

收集常见挖掘机液压系统故障信息，发现部分挖掘机液压系统故障属于回油背压系统故障。为优化挖掘机液压回油背压系统工作性能，解决常见的回油背压系统故障，下文将对一台挖掘机液压回油系统故障进行深入研究，以明确造成此类故障的根本原因。

经过现场检测后发现，故障挖掘机的回油背压单向阀实际开启压力为0.75 MPa，显著超过其额定值0.5 MPa的规定范围。当开启压力超过0.7 MPa时，高温液压油不再经过散热器冷却，而是直接绕过散热器回到油箱，导致整个系统出现过热现象，造成该问题的根源在于回油背压单向阀的实际开启压力过高。经过详细分析可知，此现象的影响因素主要包括以下几个方面：弹簧的弹力是否合适、阀芯节流孔的大小是否满足压力控制要求、密封面是否存在缺陷以及设备精度是否满足使用要求。进一步研究发现，阀芯的启闭压力与节流孔面积之间成反比关系，即节流孔面积减小，阀芯的开启压力将显著升高，导致系统内液压油温度无法得到有效控制。节流孔的堵塞不仅会直接导致单向阀开启压力升高，还会引发一系列连锁反应，使得液压系统频繁出现高温报警，同时造成液压油散热器渗油故障。此现象不仅会影响液压系统的正常运行，还可能对设备造成长期损害。因此，确保节流孔畅通，保证阀芯开启压力在正常范围内，是维持液压系统稳定运行的关键所在。

3" " 回油背压系统优化设计

3.1" " 回油背压系统优化设计思路

结合上述故障检测与维修经验可知，为避免节流孔出现堵塞，可增加节流孔孔径，若增加节流孔孔径则必须增加单向阀的控制腔面积，但结合设备的实际情况可知，控制腔的面积能够调整的范围较小，节流孔流量无法满足改造后的控制腔流量，因此上述方法不具有实际意义。所以，本次优化设计通过外部油路进行控制腔的充放液，以此控制该结构的压力，并提高回油背压系统单向阀的响应特性，维持系统正常的开启压力。在实现上述方法前，需要对单向阀的压力控制腔进行一次压力的设定与充放液，详细设计可在螺堵6位置处钻孔，孔径设置为6 mm，并在此处增加满足充放液操作与稳压要求的零部件，包括节流阀、分流体、单向阀以及焊接三通等[2]。详细设计图如图3所示。

此部分的设计原理为：液压油从先导系统流出，经过节流阀2进入焊接三通，然后经过焊接三通流入单向阀的压力控制腔，使用单向阀3实现对控制腔压力极大值的设定，以此方式达到快速填充或排放回油背压单向阀存留液压油的目的[3]。

3.2" " 节流阀优化与选取

节流阀在液压系统中承担为控制腔提供液压油的功能，以确保此环节的压力控制不受影响且稳定。以某大型挖掘机的液压系统工作压力为例，该设备的液压系统设定压力为4.0 MPa，回油背压单向阀的开启压力为0.5 MPa，设备中的节流阀最大允许损失压力为3.5 MPa，控制腔直径为40 mm，阀芯的行程为10 mm。当阀芯处于极限行程时，其排液或充液容积为0.12 L，节流孔直径为0.8 mm，在3.5 MPa的压降条件下，其流量能够达到0.7 L/min，此流量是单向阀极限容积变化的6倍。详细数据如图4所示。

通过上述参数的计算和分析可以得出结论：0.8 mm的节流孔尺寸完全能满足回油背压单向阀压力控制腔的快速充液需求，不会对先导操作系统的流量供应产生负面影响。理论上此设计不仅能够确保液压系统的正常运行，而且还能够提高系统的整体效率和可靠性，并且在实际应用中，这种配置可有效保证液压系统的稳定性，避免因流量不足或压力控制不当引起的系统故障，从而延长设备使用寿命，并提高其工作效率[4]。

3.3" " 单向阀优化与选取

在改造设计中，设置控制腔压力为0.35 MPa，考虑控制腔内弹簧施加力，可知单向阀开启压力约为0.5 MPa，此设计能确保系统在正常运行过程中维持适当的压力水平，避免因压力过低或过高导致的系统故障。通过对单向阀的压力-流量特性曲线进行详细分析，能看出此设计具有良好的使用效果，并可稳定整个回油背压系统的压力。特性曲线显示，当整个通路的流量低于11 L/min时，回油背压系统的压力将下降至0.35 MPa。此数值与单向阀的开启压力相同，表明系统在此流量范围内能够稳定运行。特性曲线的分析不仅验证了单向阀设计的有效性，还提供了关键数据支持，说明在不同流量条件下，系统能够维持稳定的压力控制。此设计确保了液压系统的正常运行，并可有效预防因压力波动引起的设备损坏和系统故障。通过合理的压力设定和精确的控制，系统在实际应用中表现出优异的性能和可靠性，详细如图5所示。因此，0.8 mm节流孔的设计既能满足系统的流量需求，又能确保压力控制的准确性。此设计和实际运行数据表明，0.8 mm节流孔能够有效满足系统对流量和压力的要求，确保液压系统的稳定和高效运行[5]。通过合理的压力设定和阀芯容积设计，系统能够在不同工况下保持良好的性能，不仅可以提高系统的可靠性，还能延长设备的使用寿命。

4" " 优化设计检验

对某企业大型挖掘机进行改造，将本优化设计加入其液压系统，并进行72 h不间断工作散热能力试验，优化前后回油背压阀总成及回油背压数据的对比如图6所示，通过图6能够清晰地看出系统性能显著提升。

通过优化，在系统流量不超过1 200 L/min时，设备实际启闭压力从0.75 MPa明显降低到0.5 MPa，符合NB/T 47006—2019《铝制板翅式热交换器》及相关专项试验规范的要求。本次技术改进带来了多方面的优点：首先，新增的0.35 MPa管式单向阀可以有效减少节流孔堵塞问题，保证启闭压力的稳定性。其次，优化后的系统实际开启压力从0.75 MPa降低到0.5 MPa，极大地提升了散热能力，显著延长了散热器的使用寿命。此外，这种技术改造成本低廉，实施简单，有助于管路的合理布置，极具成本效益。工业性试验结果进一步验证了优化方案的有效性和可靠性，经过超过3 000 h的工业性试验，系统无散热器故障记录，此结果不仅表明技术改进成功提高了系统的散热性能，还展示了其在长期运行中的稳定性和可靠性。

5" " 结束语

综上所述，经过72 h不间断工作的散热能力试验和超过3 000 h的工业性试验，优化后的回油背压系统在大型液压挖掘机中的应用证明了其优越的性能。优化设计有效降低了设备实际开启压力，增强了系统的散热能力，并延长了散热器的使用寿命，通过引入管式单向阀和合理的压力设定，系统在长期运行中能保持稳定性，避免常见的故障问题。

[参考文献]

[1] 赵海涛，潘宏达，吴仲吉，等.矿用挖掘机回油系统优化设计方案研究[J].建设机械技术与管理，2023，36（3）：62-64.

[2] 王智森，汪兆栋，张少怀.液压挖掘机动臂结构优化设计[J].中国工程机械学报，2022，20（1）：75-80.

[3] 邵荷镜，史青录，王爱红，等.基于水平推压工况的超大型正铲液压挖掘机工作装置优化设计[J].工程机械，2023，54（9）：72-78.

[4] 俞松松，董必成.液压挖掘机多功能属具电控策略的研究与应用[J].液压气动与密封，2023，43（5）：51-54.

[5] 赵子豪，林述温，赵国朋.基于知识引导的液压挖掘机铲斗结构智能优化设计[J].工程机械，2022，53（7）：74-83.