大型工程車輛行走閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)油溫分析

程斐，趙靜一，鄭龍偉

(燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)

教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，河北秦皇島066004)

0 前言

連采設(shè)備搬運(yùn)車是一種主要用于煤礦地面與采礦工作面之間以及工作面與工作面之間連續(xù)采煤機(jī)快速搬運(yùn)的特種車輛［1］。其所有動作都采用靜液壓驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、工作平穩(wěn)、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)。其中行走系統(tǒng)采用閉式液壓回路，轉(zhuǎn)向、升降和支腿都采用開式負(fù)載敏感回路［2－3］。

某廠生產(chǎn)的WC80Y 型煤礦連采設(shè)備搬運(yùn)車在使用過程中出現(xiàn)了行走閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)油液溫度過高現(xiàn)象，測得其減速機(jī)殼體溫度達(dá)到97 ℃，可以推斷系統(tǒng)內(nèi)部油液溫度更高，超出了馬達(dá)持續(xù)工作允許的最高溫度。因此，本文作者通過對閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)部油溫特性的理論分析，找出了影響系統(tǒng)內(nèi)部油溫變化的主要因素;通過對該型車輛行走閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)油溫特性的分析計算與檢驗(yàn)，找到了系統(tǒng)內(nèi)油溫過高的解決方案。

1 閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)油溫分析

(1)系統(tǒng)發(fā)熱量

在閉式液壓系統(tǒng)中，由于內(nèi)部泄漏及運(yùn)動部件摩擦力的存在，會導(dǎo)致一部分的系統(tǒng)功率損失，這部分損失的功率會轉(zhuǎn)化成熱量被系統(tǒng)的油液及元器件所吸收，使系統(tǒng)溫度升高。根據(jù)能量守恒定律，系統(tǒng)損失的功率將全部轉(zhuǎn)化成熱量，即系統(tǒng)的損失功率為系統(tǒng)的發(fā)熱功率［4］。如果設(shè)系統(tǒng)的功率為P，總效率為η，系統(tǒng)的總發(fā)熱功率為Pt，則有

其中

則

式中:L 為系統(tǒng)的流量，L/min;Δp 為系統(tǒng)的工作壓差，MPa。

(2)系統(tǒng)油液吸收的熱量

閉式系統(tǒng)的發(fā)熱量主要通過補(bǔ)油泵補(bǔ)入系統(tǒng)的涼油置換出的熱油帶走熱量。單位時間補(bǔ)入系統(tǒng)的涼油與系統(tǒng)內(nèi)部熱油達(dá)到熱平衡時所吸收的熱量即為系統(tǒng)油液吸熱功率。

通常閉式系統(tǒng)的補(bǔ)油流量l 與系統(tǒng)流量L 之間有一個確定的比例關(guān)系，即l = KL;式中K 為補(bǔ)油系數(shù)，一般在0.15 ～0.25 之間［5］。如果系統(tǒng)補(bǔ)入的涼油(溫度為t1)與系統(tǒng)內(nèi)熱油(達(dá)到熱平衡的油液，溫度為t)溫差為Δt(Δt =t－ t1)，則補(bǔ)入涼油的吸熱功率θ 為

式中:θ 為系統(tǒng)吸熱功率，kW;ρ 為液壓油密度，kg/L，取0.85;CP為液壓油比熱容，kJ/(kg·℃)，取2.15。

(3)系統(tǒng)油液散熱量

閉式液壓系統(tǒng)油液向外界散發(fā)的熱量，主要由三部分組成:通過冷卻器散發(fā)的熱量、通過液壓油箱散發(fā)的熱量、通過管路及系統(tǒng)其他元器件的表面散熱。其中最主要的散熱途徑通過冷卻器散熱。影響風(fēng)冷器散熱功率的因素有:油液流量、油液溫度與環(huán)境溫度的溫差、空氣流量、散熱面積、散熱系數(shù)［6－7］。對某固定型號的風(fēng)冷器，其油液流量和油液與環(huán)境的溫差是影響其冷卻功率的變量因素。

(4)系統(tǒng)內(nèi)部油溫測算

閉式液壓系統(tǒng)的功率損失是系統(tǒng)的熱源，補(bǔ)入系統(tǒng)的涼油吸收系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熱量后經(jīng)泄漏和沖洗閥沖洗流出系統(tǒng)，泄漏和沖洗出的熱油通過冷卻器、油箱向外界散發(fā)熱量，重新變成可以補(bǔ)入系統(tǒng)的涼油。系統(tǒng)的油液循環(huán)及熱量傳遞過程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)油液循環(huán)及熱量傳遞示意圖

在一個熱平衡的閉式液壓系統(tǒng)中，油液的吸熱功率θ 必須與散熱功率P't持平，且都必須與系統(tǒng)損失功率(系統(tǒng)產(chǎn)生熱量功率Pt)相等，這種狀態(tài)是閉式液壓系統(tǒng)持續(xù)常工作的必要條件。也就是說要使閉式液壓系統(tǒng)能夠持續(xù)正常工作必須滿足條件

由于系統(tǒng)的生熱與吸熱平衡，由式(3)、(4)有

即

則

從式(7)可以看出，系統(tǒng)內(nèi)熱油與涼油溫度之差與系統(tǒng)的工作壓力成正比關(guān)系。對于給定的閉式系統(tǒng)，其補(bǔ)油系數(shù)K 和總效率η 在正常工作范圍內(nèi)基本不變，液壓油密度ρ 與液壓油比熱容CP取定值，因此熱油與涼油溫差Δt 主要取決于系統(tǒng)的工作壓力，即系統(tǒng)的負(fù)荷。從式(8)可以看出閉式系統(tǒng)內(nèi)油液的絕對溫度t 是通過補(bǔ)油泵進(jìn)入系統(tǒng)的涼油溫度t1與系統(tǒng)熱油與涼油溫差Δt 之和，涼油的溫度t1主要由熱交換器的散熱功率和環(huán)境溫度決定，該溫度一般最高為60 ℃左右［8］。

2 WC80Y 型連采設(shè)備搬運(yùn)車行走閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)油液溫度計算

根據(jù)以上理論分析，以WC80Y 連采設(shè)備搬運(yùn)車閉式液壓系統(tǒng)出現(xiàn)的油液高溫問題為例，給出計算如下:

(1)該車的平板車行走系統(tǒng)應(yīng)用的閉式泵為薩奧的90R180，其補(bǔ)油泵排量為47 mL/r，動力源車行走系統(tǒng)應(yīng)用的工閉式泵為MPV046，補(bǔ)油泵排量為13.9 mL/r，則整車的補(bǔ)油系數(shù)K 為0.27，Δp 為系統(tǒng)的工作壓差，取28 MPa，系統(tǒng)總效率η 取0.6 ～0.65，取η1=0.6，η2=0.65，則Δt1=Δp(1－ η1)/KρCP=22.7 ℃;Δt2= Δp(1－ η2)/KρCP=19.8 ℃，則系統(tǒng)內(nèi)部溫度為t = Δp(1－ η)/KρCP+ t1=79.8 ～82.7 ℃。以上分析與所測量得到的減速機(jī)殼體溫度97 ℃實(shí)際情況并不相符。

(2)按照系統(tǒng)泄漏、沖洗流量來計算系統(tǒng)內(nèi)部溫度。該車應(yīng)用F12-30 馬達(dá)，數(shù)量為10 個，所選的沖洗閥沖洗流量為2 L/min，則沖洗總流量為20 L/min，泵和馬達(dá)的容積損失均取5% ～6%，在柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速(2 200 r/min)下，系統(tǒng)流量為L =497.2 L/min，泄漏流量為49.7 ～59.7 L/min，則系統(tǒng)的實(shí)際的補(bǔ)油系數(shù)(由泄漏、沖洗流量計算得出)K=0.14 ～0.16，由此求出Δt = Δp(1－ η)/KρCP=38.3 ～43.8 ℃，系統(tǒng)內(nèi)部油溫為t = Δp(1－ η)/KρCP+t1=98.3 ～113.8 ℃，與實(shí)際情況相符。

分析可知，在本系統(tǒng)中單純按照補(bǔ)油泵排量來計算系統(tǒng)內(nèi)部溫度是不準(zhǔn)確的，因?yàn)檠a(bǔ)入系統(tǒng)內(nèi)部涼油的流量是受系統(tǒng)自身的容積效率和沖洗流量限制的。尤其當(dāng)系統(tǒng)沖洗流量與補(bǔ)油泵排量不匹配時，補(bǔ)油泵的油液不會全部進(jìn)入閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)部，一部分油液用于泵自身的伺服控制系統(tǒng)，往往還有一部分油液用于其他液壓控制系統(tǒng)，多余油液通過補(bǔ)油溢流閥流回油箱。因?yàn)檠a(bǔ)入閉式液壓系統(tǒng)的涼油與系統(tǒng)泄漏、沖洗閥沖洗出的熱油流量之和是相等的，所以用系統(tǒng)的容積損失流量和沖洗流量之和來計算補(bǔ)入系統(tǒng)的涼油量更為合理。

(3)系統(tǒng)油液溫度過高問題解決:查詢馬達(dá)與減速機(jī)樣本資料得到，馬達(dá)內(nèi)部能承受的持續(xù)工作溫度為70 ℃，減速機(jī)為80 ℃，所以本車閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)部溫度t 應(yīng)該控制在70 ℃以內(nèi)，假設(shè)油箱溫度為60 ℃，反推得到泄漏、補(bǔ)油系數(shù)K 應(yīng)該為0.23 ～0.26，因?yàn)橄到y(tǒng)容積損失是一定的，從而得到?jīng)_洗流量為63.53 ～69.51 L/min，除去馬達(dá)內(nèi)部已有的沖洗流量，還有50 L/min 的沖洗流量需要沖洗閥來實(shí)現(xiàn)。另外，根據(jù)熱量循環(huán)圖可知，沖洗出熱油流量的增大也同時也需要增加風(fēng)冷卻器的散熱功率。對WC80Y型連采設(shè)備搬運(yùn)車行走閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)的改進(jìn)中，增設(shè)了兩個25 L/min 的沖洗閥，同時相應(yīng)增加風(fēng)冷卻器的算熱功率，改進(jìn)后的系統(tǒng)再次試驗(yàn)，測得閉式系統(tǒng)內(nèi)溫度為67 ℃左右，高溫問題得到了解決。

3 結(jié)論

(1)在準(zhǔn)確計算閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)部油溫時，用系統(tǒng)的容積損失流量與沖洗流量之和來計算補(bǔ)入系統(tǒng)的涼油流量來確定補(bǔ)油系數(shù)更為合理。

(2)工程車輛在進(jìn)行閉式液壓系統(tǒng)設(shè)計時，在計算實(shí)際補(bǔ)入系統(tǒng)涼油的流量時，除考慮補(bǔ)油泵的排量外，還要保證系統(tǒng)有足夠的沖洗能力，系統(tǒng)的補(bǔ)油與沖洗流量的合理匹配是閉式液壓系統(tǒng)溫度控制的重要影響因素。

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