挖掘機反吹式空氣預濾器應用研究

蘇永志，韋俊茂，賓旭洲，廖江正

（廣西柳工機械股份有限公司 挖掘機研究院，廣西 柳州 545007）

液壓挖掘機經常在礦山、采石場等重度灰塵環境進行作業，某些工況下整個設備甚至被灰塵籠罩，惡劣的環境對發動機進氣系統的過濾能力提出了更高的要求。重度灰塵環境典型塵埃含量為1.0～10mg/cuft［1］。傳統干式空氣預濾器（旋流葉片）采用離心原理將部分大顆粒雜質分離并排出，一般預過濾效率在72%～85%（ISO5011）。在此重度灰塵工況下，這種形式的預濾器已無法滿足需求，導致其后端的空濾一般1～2天就會發生堵塞報警，需要頻繁清理空濾濾芯甚至更換。

為了改善這種狀況，挖掘機配置了油浴式預濾器。油浴式預濾器利用油液粘性吸附過濾大部分細灰，預過濾效率達90%以上［2］，適應了大部分工況，但在重度灰塵環境和人停機不停的生產需求下，其維護保養就得增加停機時間和額外增加更多的人工成本。本文介紹了一款反吹式預濾器，利用壓縮氣流噴射形成的壓力沖擊自動清理預濾器濾芯表面的灰塵，為挖掘機在重度灰塵工況下的維護保養提供了一種更經濟和高效的預過濾方案。

1 油浴式預濾器的適應性

油浴式預濾器對粗灰和細灰的過濾效果很好，其維護保養要求是每50h檢查一次油液，每250h清洗金屬濾芯并更換油液，并根據當地實際情況適當縮短或延長清洗金屬濾芯和更換油液的時間。如出現進氣阻塞報警，必須清洗金屬濾芯和更換油液。

在勤于清洗和換油的前提下，其可使空濾濾芯維護周期延長，降低濾芯的消耗成本。而在重度灰塵環境下，大量粉塵被油液吸附后形成油泥粘結在金屬濾芯上和沉積在油盆底部，維護周期被縮短，清潔需求時間長，額外增加了更多人工成本，并與人停機不停的生產需求不匹配。有些用戶為了延長清潔周期，拆掉油浴式預濾器防雨帽后在進氣口上套接舊空濾濾芯。套接濾芯前移了油浴式預濾器保養的部分壓力，但也直接增加了套接濾芯的保養頻次（一般每天得清潔套接濾芯2次以上）。如保養不及時，不僅會導致系統進氣阻力大幅增加，還影響整機的油耗。綜上，為提高維護保養的效率，進一步減少人工成本和改善系統進氣阻力，反吹式預濾器應運而生。

2 反吹式預濾器的結構及工作原理

反吹式預濾系統主要由反吹式預濾器、電磁閥、氣罐、壓力傳感器、控制器、免維護氣泵（由于挖掘機上沒有空壓機，無氣源）和蓄電池組成，如圖1所示。氣泵的動力源是整車的蓄電池，啟停由控制器控制。反吹式預濾器由單級濾芯、殼體和帶單向閥的端蓋構成，預過濾效率最高可達99.99%。濾芯采用表面過濾型折疊濾紙，殼體內腔設置有氣體導流圈。

圖1 反吹式預濾器結構和工作原理示意圖

當鑰匙開關上電后，控制器通過壓力傳感器檢測到氣罐氣壓低于90psi（620.5kPa）時將控制氣泵工作并向氣罐充氣，氣壓達到120psi（827.4kPa）時停止泵氣。發動機起動后工作時間如大于設定值時，控制器控制系統開始進入自動反吹模式。此時當發動機熄火后，控制器控制電磁閥打開，氣罐內的壓縮空氣通過管路進入反吹式預濾器，通過導流圈吹在預濾器濾芯內表面，壓縮氣流噴射形成的壓力沖擊將濾芯過濾的粉塵通過端蓋上的單向閥向外吹出，實現系統自動清潔預濾器濾芯操作，節省了大部分人工成本。

3 反吹式預濾器的選型

反吹式預濾器在選擇時，應根據發動機的額定進氣流量和所選空氣濾清器的進氣阻力及系統管路阻力參數來選型，要求新濾芯狀態下整個進氣系統的初始進氣阻力不超過3.7kPa。綜合考慮反吹預濾器的反吹控制方式和性能、濾紙耐破度和清潔復原能力、氣罐安全性、能耗、通用性、成本等因素，在保證過濾效率的前提下，盡量選擇進氣阻力低的產品，這樣可以使空濾的使用壽命相對延長和發動機油耗更優。精確的發動進氣流量通常需要發動機制造商提供，如果無相關的發動機進氣流量參數，可參考如下方法計算進氣流量

式中 Q——進氣流量，m3/h；

n——發動機轉速，rpm；

V——發動機排量，L；

η—— 充氣效率，4沖程自然吸氣柴油機η=0.9；4沖程渦輪增壓中冷柴油機η=1.85。

4 實驗驗證

為驗證反吹式預濾器的功能和性能，在某型液壓挖掘機試驗機上進行測試。

4.1 初始進氣阻力

反吹式預濾器的初始進氣阻力測試結果如圖2所示。結果表明，其初始進氣阻力在機器最高擋位時比油浴式預濾器降低25.2%。初始阻力大幅減小的原因是反吹式預濾器采用單級濾芯，濾紙通流面積大，阻力小。另外，油浴式預濾器本身雙級金屬濾網結構初始阻力大。

圖2 反吹式預濾器初始進氣阻力對比測試

根據進氣阻力對油耗影響的相關研究結果：進氣阻力從2.4kPa升至5kPa后，油耗相對升高率為0.9%［3］，空濾堵塞報警壓力為6.2kPa?？梢?，反吹式預濾器的應用在油耗表現上會有一定的改善。

4.2 氣泵充氣功耗

測試氣泵充氣過程中的電流和蓄電池電壓，變化情況如圖3所示。隨著氣罐氣壓不斷上升，電流逐漸增大，功率也隨之增大（最大功率為270.12W）。90s后氣罐充滿，電瓶壓降為0.13V，功耗在可接受范圍。

圖3 充氣過程的功耗

4.3 反吹過程濾紙表面氣壓

反吹式預濾器濾芯濾紙設計耐破度＞350kPa（GB/T 454-2002），測試反吹過程中濾紙內表面的氣壓變化情況如圖4所示。反吹瞬間的氣流沖擊壓力峰值為18.32kPa，小于濾紙耐破度限值。

圖4 反吹過程濾紙內表面氣壓測試

4.4 試驗驗證

在某型液壓挖掘機試驗機上試裝反吹式預濾器并在某采石場（重度灰塵環境）驗證其實際應用效果。對比油浴式預濾器套接濾芯狀態：每天清潔套接濾芯2次，空濾濾芯1次；反吹式預濾器：每天自動反吹清潔5～8次，每250h清潔1次空濾濾芯，可見，試裝反吹式預濾器后維護保養頻次和停機時間大幅減少，同時也減少了人工維護成本。

5 結束語

反吹式預濾器利用壓縮氣流噴射形成的壓力沖擊實現自動清理預濾器濾芯表面的灰塵，相對油浴式預濾器更清潔環保，在重度灰塵工況下其在挖掘機上的應用能有效減少用戶維護保養的頻次、工作量、停機時間和人工成本，同時對系統進氣阻力有較大的改善，為特定工況下的維護保養提供了一種更經濟、高效的預過濾方案和選擇。