高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)發(fā)熱原因簡析

湯辛華

筆者所在公司(即廣東粵海汽車有限公司)近年來不斷開發(fā)出各類新型高空作業(yè)車，產(chǎn)品普遍具有外型美觀、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、安全可靠等優(yōu)點，受到用戶的廣泛贊譽。在公司售后回訪中，有位用戶反饋他們購買的1輛高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)溫升過高，影響到了整車工作的連續(xù)性。在向用戶詳細了解后得知，該用戶購買的高空作業(yè)車主要用于城市道路路燈、燈桿和廣告牌的清洗作業(yè)，日工作時間在10 h以上，并且不間斷作業(yè)，液壓系統(tǒng)長時間頻繁工作。而該產(chǎn)品最初的設計理念是將高空作業(yè)裝置升高到一定高度，停留在某一位置進行一段時間的工作(此時液壓系統(tǒng)停機)后，再降下來，適用于停機工作時間較長的安裝維修工況。液壓系統(tǒng)的油箱、管路都是基于這一工況設計的。

眾所周知，每套液壓系統(tǒng)都包含液壓泵、油缸、液壓油馬達、液壓閥等元件。液壓油通過這些元件時，由于元件本身的效率而存在一定的功率損失，損失的能量大部分都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩鴷挂簤合到y(tǒng)發(fā)熱。同時，由于油箱、油管等暴露在空氣中，與空氣有較大面積的接觸，因此它們又有散熱的作用。當液壓系統(tǒng)工作一段時間，系統(tǒng)油溫升高到一定值后，系統(tǒng)的發(fā)熱和散熱達到平衡，油溫便不再升高，此溫度即為系統(tǒng)的平衡溫度。考慮到液壓密封件損壞而引起的泄漏和油液變質(zhì)等問題，系統(tǒng)油溫一般不得超過65℃。油溫過高時，則需要采取一定措施進行降溫：普通的液壓系統(tǒng)可以通過加大油箱散熱面積來實現(xiàn)；行走機械和安裝位置受限制的液壓系統(tǒng)，可通過加裝散熱器的方法來解決。

下文將從計算引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱的功率損失和解決液壓系統(tǒng)發(fā)熱2個方面來探究該款高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)的熱平衡問題。

表1 某型號高空作業(yè)車作業(yè)動作與工作壓力

1 造成液壓系統(tǒng)發(fā)熱的功率損失

據(jù)用戶反映，該車一個工作周期的動作如下：支腿伸出→一臂上升→二臂上升→吊臂旋轉(zhuǎn)→高空作業(yè)→吊臂旋轉(zhuǎn)→二臂下降→一臂下降→支腿縮回→轉(zhuǎn)移到下一個路燈(作業(yè)現(xiàn)場)。該工作周期中各動作所用時間與工作壓力關(guān)系如表1。

由上面簡述可知，液壓系統(tǒng)的發(fā)熱都是由液壓系統(tǒng)的功率損失引起的。下面根據(jù)液壓泵、液壓閥、管路3個主要部件的功率損失來計算液壓系統(tǒng)的功率損失。

(1)液壓泵的功率損失P1

式中：T，工作循環(huán)周期，s；t，工序的工作時間，s；i，工序的次序；g，液壓泵的總效率，該液壓泵為齒輪泵，取0.8；p，液壓泵實際出口壓力，MPa；q，液壓泵實際流量，m3/s。該車的油泵排量為16 mL/r，汽車底盤取力器的輸出速度為800 r/min。

將上表中的各項數(shù)據(jù)代入工式(1)中，計算出一個工作周期內(nèi)液壓泵的功率損失P1=382 W。

(2)液壓閥的功率損失P2

式中：T，工作循環(huán)周期，s；t，工序的工作時間，s；i，工序的次序；△p，液壓閥壓降，MPa，其中，電磁多路閥為1.5、平衡閥調(diào)定為5、手動多路閥為1.2、電磁換向閥為0.3、雙向液壓鎖為0.4、單向閥為0.1；q，流經(jīng)液壓閥的實際流量，s。

將各項數(shù)據(jù)代入工式(2)中,計算出一個工作周期中液壓閥的功率損失為P2=948 W。

(3)管路及其他損失P3

此項功率損失包括很多復雜的因素,由于此值較小且管路有散熱作用,計算時常予于忽略，一般可取全部功率的0.03～0.05倍，即P3=(0.03～0.05)P，取系數(shù)的中間值0.04，計算得P3=125 W。

總的功率損失P=P1+P2+P3=1 455 W。

2.解決液壓系統(tǒng)的發(fā)熱

液壓系統(tǒng)的散熱渠道主要是油箱表面和液壓管路,由于該車液壓系統(tǒng)的液壓管路散熱較少,可忽略不計。假設系統(tǒng)達到熱平衡時，平衡點油溫為T，則：

式中：To，環(huán)境溫度，℃；k，油箱散熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A，油箱散熱面積，m2。

以該車工作城市的夏季為例，在城市路面上作業(yè)時，To取35 ℃；由于液壓油箱安裝在車箱側(cè)面，通風條件良好，因此取k值為15；該車液壓油箱外形尺寸為506×420×325 mm，通過計算可得出A為1.03 m2。將To，k，A，P的數(shù)值代入公式(3)，得到T=35+1 455/(15×1.03)=129 ℃。

由此可知,液壓系統(tǒng)的平衡點溫度的確太高，超過了系統(tǒng)允許的最高溫度，需采取措施降低系統(tǒng)的平衡點溫度。由于該系統(tǒng)安裝于行走車輛上，而且油箱的安裝位置受到限制，因此只能通過加裝散熱器實現(xiàn)降溫。

綜合考慮各方面因素，選擇加裝風冷式散熱器，即相當于增加了一個通過風扇散熱的散熱管道，此時根據(jù)液壓系統(tǒng)的熱平衡公式計算加裝散熱器的散熱面積：

式中，K1，風扇冷卻時的散熱系數(shù)，其值為23，W/(m2℃)；A1，散熱器的散熱面積，m2；T′，熱平衡點溫度，取一個較合理的溫度55 ℃。

將公式(4)作轉(zhuǎn)換并將To，T`，P，K，A，K1代入，得：

由上式計算結(jié)果可知，加裝散熱器的散熱面積應該≥2.49 m2。

基于上述計算結(jié)果，筆者所在公司選擇了EOS公司生產(chǎn)的HEW-3/24型風冷型散熱器。該散熱器安裝后，經(jīng)試驗散熱效果良好。