挖掘机反吹式空气预滤器应用研究

苏永志，韦俊茂，宾旭洲，廖江正

（广西柳工机械股份有限公司 挖掘机研究院，广西 柳州 545007）

液压挖掘机经常在矿山、采石场等重度灰尘环境进行作业，某些工况下整个设备甚至被灰尘笼罩，恶劣的环境对发动机进气系统的过滤能力提出了更高的要求。重度灰尘环境典型尘埃含量为1.0～10mg/cuft［1］。传统干式空气预滤器（旋流叶片）采用离心原理将部分大颗粒杂质分离并排出，一般预过滤效率在72%～85%（ISO5011）。在此重度灰尘工况下，这种形式的预滤器已无法满足需求，导致其后端的空滤一般1～2天就会发生堵塞报警，需要频繁清理空滤滤芯甚至更换。

为了改善这种状况，挖掘机配置了油浴式预滤器。油浴式预滤器利用油液粘性吸附过滤大部分细灰，预过滤效率达90%以上［2］，适应了大部分工况，但在重度灰尘环境和人停机不停的生产需求下，其维护保养就得增加停机时间和额外增加更多的人工成本。本文介绍了一款反吹式预滤器，利用压缩气流喷射形成的压力冲击自动清理预滤器滤芯表面的灰尘，为挖掘机在重度灰尘工况下的维护保养提供了一种更经济和高效的预过滤方案。

1 油浴式预滤器的适应性

油浴式预滤器对粗灰和细灰的过滤效果很好，其维护保养要求是每50h检查一次油液，每250h清洗金属滤芯并更换油液，并根据当地实际情况适当缩短或延长清洗金属滤芯和更换油液的时间。如出现进气阻塞报警，必须清洗金属滤芯和更换油液。

在勤于清洗和换油的前提下，其可使空滤滤芯维护周期延长，降低滤芯的消耗成本。而在重度灰尘环境下，大量粉尘被油液吸附后形成油泥粘结在金属滤芯上和沉积在油盆底部，维护周期被缩短，清洁需求时间长，额外增加了更多人工成本，并与人停机不停的生产需求不匹配。有些用户为了延长清洁周期，拆掉油浴式预滤器防雨帽后在进气口上套接旧空滤滤芯。套接滤芯前移了油浴式预滤器保养的部分压力，但也直接增加了套接滤芯的保养频次（一般每天得清洁套接滤芯2次以上）。如保养不及时，不仅会导致系统进气阻力大幅增加，还影响整机的油耗。综上，为提高维护保养的效率，进一步减少人工成本和改善系统进气阻力，反吹式预滤器应运而生。

2 反吹式预滤器的结构及工作原理

反吹式预滤系统主要由反吹式预滤器、电磁阀、气罐、压力传感器、控制器、免维护气泵（由于挖掘机上没有空压机，无气源）和蓄电池组成，如图1所示。气泵的动力源是整车的蓄电池，启停由控制器控制。反吹式预滤器由单级滤芯、壳体和带单向阀的端盖构成，预过滤效率最高可达99.99%。滤芯采用表面过滤型折叠滤纸，壳体内腔设置有气体导流圈。

图1 反吹式预滤器结构和工作原理示意图

当钥匙开关上电后，控制器通过压力传感器检测到气罐气压低于90psi（620.5kPa）时将控制气泵工作并向气罐充气，气压达到120psi（827.4kPa）时停止泵气。发动机起动后工作时间如大于设定值时，控制器控制系统开始进入自动反吹模式。此时当发动机熄火后，控制器控制电磁阀打开，气罐内的压缩空气通过管路进入反吹式预滤器，通过导流圈吹在预滤器滤芯内表面，压缩气流喷射形成的压力冲击将滤芯过滤的粉尘通过端盖上的单向阀向外吹出，实现系统自动清洁预滤器滤芯操作，节省了大部分人工成本。

3 反吹式预滤器的选型

反吹式预滤器在选择时，应根据发动机的额定进气流量和所选空气滤清器的进气阻力及系统管路阻力参数来选型，要求新滤芯状态下整个进气系统的初始进气阻力不超过3.7kPa。综合考虑反吹预滤器的反吹控制方式和性能、滤纸耐破度和清洁复原能力、气罐安全性、能耗、通用性、成本等因素，在保证过滤效率的前提下，尽量选择进气阻力低的产品，这样可以使空滤的使用寿命相对延长和发动机油耗更优。精确的发动进气流量通常需要发动机制造商提供，如果无相关的发动机进气流量参数，可参考如下方法计算进气流量

式中 Q——进气流量，m3/h；

n——发动机转速，rpm；

V——发动机排量，L；

η—— 充气效率，4冲程自然吸气柴油机η=0.9；4冲程涡轮增压中冷柴油机η=1.85。

4 实验验证

为验证反吹式预滤器的功能和性能，在某型液压挖掘机试验机上进行测试。

4.1 初始进气阻力

反吹式预滤器的初始进气阻力测试结果如图2所示。结果表明，其初始进气阻力在机器最高挡位时比油浴式预滤器降低25.2%。初始阻力大幅减小的原因是反吹式预滤器采用单级滤芯，滤纸通流面积大，阻力小。另外，油浴式预滤器本身双级金属滤网结构初始阻力大。

图2 反吹式预滤器初始进气阻力对比测试

根据进气阻力对油耗影响的相关研究结果：进气阻力从2.4kPa升至5kPa后，油耗相对升高率为0.9%［3］，空滤堵塞报警压力为6.2kPa。可见，反吹式预滤器的应用在油耗表现上会有一定的改善。

4.2 气泵充气功耗

测试气泵充气过程中的电流和蓄电池电压，变化情况如图3所示。随着气罐气压不断上升，电流逐渐增大，功率也随之增大（最大功率为270.12W）。90s后气罐充满，电瓶压降为0.13V，功耗在可接受范围。

图3 充气过程的功耗

4.3 反吹过程滤纸表面气压

反吹式预滤器滤芯滤纸设计耐破度＞350kPa（GB/T 454-2002），测试反吹过程中滤纸内表面的气压变化情况如图4所示。反吹瞬间的气流冲击压力峰值为18.32kPa，小于滤纸耐破度限值。

图4 反吹过程滤纸内表面气压测试

4.4 试验验证

在某型液压挖掘机试验机上试装反吹式预滤器并在某采石场（重度灰尘环境）验证其实际应用效果。对比油浴式预滤器套接滤芯状态：每天清洁套接滤芯2次，空滤滤芯1次；反吹式预滤器：每天自动反吹清洁5～8次，每250h清洁1次空滤滤芯，可见，试装反吹式预滤器后维护保养频次和停机时间大幅减少，同时也减少了人工维护成本。

5 结束语

反吹式预滤器利用压缩气流喷射形成的压力冲击实现自动清理预滤器滤芯表面的灰尘，相对油浴式预滤器更清洁环保，在重度灰尘工况下其在挖掘机上的应用能有效减少用户维护保养的频次、工作量、停机时间和人工成本，同时对系统进气阻力有较大的改善，为特定工况下的维护保养提供了一种更经济、高效的预过滤方案和选择。