于曉晨

三一重機(jī)有限公司，中國·江蘇 昆山 215300

1 引言

按照挖掘機(jī)常用的液壓系統(tǒng)，10t 以上的挖掘機(jī)常用的液壓系統(tǒng)有負(fù)流量和正流量系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)中當(dāng)挖掘機(jī)不工作時(shí)，主泵輸出的液壓油會(huì)通過旁通油路直接回液壓油箱，從而降低怠工時(shí)的油耗。

論文介紹一種基于FLUNT 仿真軟件設(shè)計(jì)過程中的早期介入，通過仿真驗(yàn)證得到設(shè)計(jì)方向后再進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，從而得到更優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)完成后，通過挖掘機(jī)主機(jī)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。

2 挖掘機(jī)多路閥傳統(tǒng)的旁通設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)多路閥主要是以日本川崎為主的日本廠商長期與中國合作，形成了中國挖掘機(jī)及液壓系統(tǒng)都是以日本技術(shù)為主的現(xiàn)象。川崎主閥（10t 以上的主閥）旁通都是以主閥芯匹配主閥孔進(jìn)行流量通路和截止，如圖1川崎13RB 閥剖面圖所示。其中殼體中間串聯(lián)各個(gè)主閥芯的Y 型流道配合主閥芯的結(jié)構(gòu)達(dá)到了中位旁通的目的。

圖1 川崎13RB 閥剖面圖

如圖2川崎13RB 閥旁通流道說明所示，當(dāng)所有閥芯處于中位狀態(tài)時(shí)，從液壓泵提供的液壓油從P1 口流入主閥，液壓油通過流道（1）流經(jīng)直線行走閥芯，左行走閥芯、鏟斗閥芯、動(dòng)臂1 閥芯和斗桿2 閥芯流入中位旁通油路（2）完成中位M 形滑閥機(jī)能，從回油口R1 流回挖掘機(jī)的液壓油箱[1]。

圖2 川崎13RB 閥旁通流道說明

2.1 傳統(tǒng)旁通回油的缺點(diǎn)

由于挖掘機(jī)要實(shí)現(xiàn)行走動(dòng)作和挖掘機(jī)其他動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)，行走的閥芯都會(huì)設(shè)計(jì)布置在多路閥進(jìn)油口的位置，讓液壓油先通過行走和直線行走閥芯后再供到其他動(dòng)作的閥芯上去。

由整體布局可以看出，傳統(tǒng)旁通在主泵進(jìn)油的入口處液壓油通過的空間很小。從液壓原理上可以推斷出此處的壓力損失會(huì)比較大。

2.2 傳統(tǒng)旁通油路的壓力損失仿真

計(jì)算流體力學(xué)仿真前處理采用ICEM CFD 軟件進(jìn)行流道建模及網(wǎng)格劃分，仿真計(jì)算采用FLUENT 軟件，后處理采用CFD-POST 軟件[2]。

條件設(shè)置：46 號(hào)液壓油，密度875kg/m3，按照GB/T265 測定標(biāo)準(zhǔn)，40℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度為46（mm2/s）；60℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度為20（mm2/s）；0℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度為500（mm2/s）。其在液壓系統(tǒng)中的流動(dòng)可以看作為不可壓縮黏性流體的定常流動(dòng)。

網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 川崎13RB 閥旁通模型網(wǎng)格劃分

邊界條件：采用SIMPLEC（semi-implicit method for pressure linked equations）算法對流道流場進(jìn)行求解。SIMPLEC 算法為解壓力耦合方程的半隱式法，是目前工程應(yīng)用最為廣泛的一種流場計(jì)算方法?？刂品匠痰膶α黜?xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)分別采用二階迎風(fēng)和二階中心差分格式進(jìn)行離散。進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口，湍流強(qiáng)度取5%，水力半徑為0.022m，出口邊界為壓力出口，湍流強(qiáng)度取5%，水力半徑為0.022m。可以得出圖4所示仿真壓力云圖及壓損數(shù)據(jù)。

圖4 川崎13RB 閥仿真壓損云圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化后仿真

針對傳統(tǒng)旁通設(shè)計(jì)的壓力損失集中點(diǎn)，閥芯和閥孔的節(jié)流位置，擬通過曲線鑄件流道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)配合閥芯中位的取消來減小壓損[3]。其中直線行走閥芯和行走閥芯均進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消中位上的節(jié)流旁通結(jié)構(gòu)，具體結(jié)果裝配后見圖5。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)流道及閥芯

通過在直線行走和行走閥芯上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大簡化了閥芯和閥孔的通流結(jié)構(gòu)。通過一樣的條件在FLUENT軟件下仿真?？傻玫絻?yōu)化后的結(jié)果。壓力云圖如圖6所示。

圖6優(yōu)化設(shè)計(jì)流道及閥芯仿真結(jié)果

由兩次FLUENT 軟件仿真結(jié)果可以得出表1的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的對比可以得出表2的結(jié)果。

表1 仿真壓力數(shù)據(jù)匯總

表2 仿真數(shù)據(jù)對比結(jié)果

優(yōu)化效果明顯，平均壓損降幅在70%以上。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的多路閥裝配到挖掘機(jī)之后同搭載傳統(tǒng)旁通油路的川崎13RB 多路閥挖掘機(jī)進(jìn)行作業(yè)油耗和效率對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 搭載主機(jī)測試數(shù)據(jù)結(jié)果

由表3可知，在挖掘機(jī)常用的三個(gè)檔位下，更換優(yōu)化后的挖掘機(jī)多路閥后再效率增加的情況下；油耗還能降低15%以上。

5 結(jié)論

通過論文的研究可以得出以下結(jié)論：

①通過對挖掘機(jī)多路閥直線行走閥芯和行走閥芯的降壓損優(yōu)化設(shè)計(jì)可以節(jié)省挖掘機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

②通過FLUENT 軟件的提前介入仿真，驗(yàn)證優(yōu)化方案?？梢越o低壓損的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供方向性參考。

③對于液壓驅(qū)動(dòng)的行走機(jī)械，只要涉及行走和其他液壓驅(qū)動(dòng)一同執(zhí)行的情況。此類旁通設(shè)計(jì)可以推廣應(yīng)用。