液壓系統(tǒng)發(fā)熱及降溫措施

摘要：描述了液壓系統(tǒng)發(fā)熱而產(chǎn)生的危害，分析了液壓系統(tǒng)熱量的來(lái)源，提出了保證液壓元件正常工作而采取的針對(duì)性降溫措施.

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)，發(fā)熱，降溫

ABSTRACT：Describe the harm caused by the hydraulic system heating，analysis the source of the heating.Take effective measures to guarantee the hydraulic components in its normal condition.

KEYWORDS：hydraulic system，heating，lower the temperature

引言

工程機(jī)械液壓系統(tǒng)的油溫一般控制在30～60度，最高不超過(guò)60～70度，此溫度下工作效率最高，但液壓系統(tǒng)經(jīng)常因油液發(fā)熱出現(xiàn)工作性能差，甚至故障。

1.液壓系統(tǒng)發(fā)熱所造成的危害

液壓系統(tǒng)發(fā)熱是捆擾液壓系統(tǒng)正常工作的重要問(wèn)題之一。溫升不僅使液壓系統(tǒng)泄露增大、容積效率下降，而且使控制元件的性能發(fā)生變化。比如，由于油溫上升引起油液黏度降低，導(dǎo)致溢流閥錐閥阻尼降低，使錐閥穩(wěn)定性變壞，引起自激振蕩噪聲。溢流閥產(chǎn)生高頻嘯叫，使溢流閥不能正常工作。溫升還使油液及液壓系統(tǒng)中的橡膠密封圈軟管等加快老化，影響其使用壽命。此外，溫升會(huì)引起機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱變形造成機(jī)械卡死和破壞已有的精度。

具體表現(xiàn)為：

⑴ 機(jī)械產(chǎn)生熱變形，液壓元件中熱脹系數(shù)不同的運(yùn)動(dòng)部件因其配合間隙變小而卡死，引起動(dòng)作失靈、影響液壓系統(tǒng)的傳動(dòng)精度，導(dǎo)致部件工作質(zhì)量變差。

⑵ 使油的粘度降低，泄漏增加，泵的容積效率和整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)顯著降低。由于油的粘度降低，滑閥等移動(dòng)部件的油膜變薄和被切破，摩擦阻力增大，導(dǎo)致磨損加劇。

⑶ 使橡膠密封件變形，加速老化失效，降低密封性能及使用壽命，造成泄漏。

⑷ 加速油液氧化變質(zhì)，并析出瀝青物質(zhì)，降低液壓油的使用壽命。析出物堵塞阻尼小孔和縫隙式閥口，導(dǎo)致壓力閥卡死而不能動(dòng)作、金屬管路伸長(zhǎng)而彎典，甚至破裂等。

⑸使油的空氣分離壓降低，油中溶解空氣逸出，產(chǎn)生氣穴，致使液壓系統(tǒng)工作性能降低。

2.液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生熱量的來(lái)源

液壓系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與傳遞過(guò)程中，系統(tǒng)的阻力必然要消耗一部分能量，能量的損失表現(xiàn)為流量和壓力損失。流量損失是指由壓差與間隙引起的液壓油泄露。泄露使有效流量減少、容積效率降低。泄露量與壓差的乘積即為功率損失。由功率損失轉(zhuǎn)換為熱量。使液壓系統(tǒng)溫度升高。壓力損失是指因液壓油的粘性阻力和流經(jīng)局部障礙時(shí)產(chǎn)生的壓力降。前者被稱為沿程壓力損失，它是由液壓油流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦引起的；后者稱為局部壓力損失，是由液流方向或流速等的突然變化，在局部區(qū)域內(nèi)形成漩渦，使質(zhì)點(diǎn)相互碰撞和劇烈摩擦而引起的。壓力損失使功率消耗增加，有效輸出能量減少。由壓力損失引起的功率損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，也?huì)使液壓系統(tǒng)溫度升高。

歸納后可以分為以下幾類：

2.1 系統(tǒng)自身原因

⑴ 油箱容積太小，散熱面積不夠，未安裝油冷卻裝置，或雖有冷卻裝置但其容量小。

⑵ 按快進(jìn)速度選擇油泵容量的定量泵供油系統(tǒng)，在工作時(shí)會(huì)有大部分多余的流量在高壓下從溢流閥溢回而發(fā)熱。

⑶ 系統(tǒng)中卸荷回路出現(xiàn)故障不能卸載或卸載時(shí)間短，停止工作時(shí)油泵不能卸荷，液壓泵輸出功率增大，泵的全部流量在高壓下溢流，產(chǎn)生溢流損失而發(fā)熱，導(dǎo)致溫升。

⑷ 液壓管道、管接頭、油濾和各種元件的阻力壓降，如系統(tǒng)管路過(guò)細(xì)過(guò)長(zhǎng)，彎曲過(guò)多，局部壓力損失和沿程壓力損失大。

⑸ 元件多或設(shè)計(jì)流量小，或精度不夠及裝配質(zhì)量差，或長(zhǎng)時(shí)間高壓卸載，節(jié)流堵塞，相對(duì)運(yùn)動(dòng)間的機(jī)械摩擦損失大。

⑹ 配合件的配合間隙太小，或使用磨損后導(dǎo)致間隙過(guò)大，內(nèi)、外泄漏量大，造成容積失大，如泵的容積效率降低，溫升快。

⑺ 液壓系統(tǒng)工作壓力調(diào)整得比實(shí)際需要高很多，壓力閥調(diào)壓高或有故障，有時(shí)是因密封過(guò)緊，或因密封件損壞、泄漏增大而不得不調(diào)高壓力才能工作，也將導(dǎo)致油溫升高。

2.2 系統(tǒng)外部原因

⑴ 氣侯及作業(yè)環(huán)境溫度高或另有熱源，冷卻效果差或散熱不良，造成吸熱和發(fā)熱大于散熱，油溫必然升高。

⑵ 選擇油液的粘度不當(dāng)，粘度大粘性阻力大，粘度太小則泄漏增大；或者油液已經(jīng)污染，均能造成發(fā)熱溫升。

應(yīng)該講造成系統(tǒng)發(fā)熱的原因比較復(fù)雜，涉及面廣，其根本原因是液壓系統(tǒng)功率損失大，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)。另外，液壓系統(tǒng)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)元件的機(jī)械摩擦也是油溫升高的另一個(gè)原因。

3.液壓系統(tǒng)熱量來(lái)源計(jì)算

（1）液壓泵的機(jī)械損失和容積損失P1

（1）

式中：Ti—— 工作循環(huán)周期（s）

n —— 投入工作的液壓泵臺(tái)數(shù)

Pλi——液壓泵的輸入功率（W）

ηM——液壓泵的機(jī)械效率

ηQ——液壓泵的容積效率

ti —— 各泵工作時(shí)間（s）

當(dāng)油溫正常時(shí)，ηM和ηQ均能按設(shè)計(jì)的效率運(yùn)行，且能保證系統(tǒng)的溫升在一定范圍內(nèi)，如果由于其他原因使油溫升高或者油質(zhì)變壞、油泵的磨損都將會(huì)使液壓泵的機(jī)械效率和容積效率降低，如果系統(tǒng)還能正常的話，液壓泵的輸入功率Pλ必然增大，泵的損失將加大，這部分損失絕大部分轉(zhuǎn)化為熱量，更加劇了油溫的升高，不能維持原因的平衡。

（2）溢流閥、液壓元件及管路的功率損失P2

（2）

式中：Tj——工作周期（s）

K——元件或管路數(shù)

ΔPj ——通過(guò)各元件或管路的進(jìn)出口壓差（Pa）

Qj ——通過(guò)各元件或管路的流量（m3/s）

tj——各元件工作時(shí)間（s）

正常工作時(shí)，P2變動(dòng)不大，但如果油質(zhì)變壞、變臟或?yàn)V油器未經(jīng)清洗均會(huì)使ΔP加大，由于Qj和tj的乘積不會(huì)變（因工作部分必須達(dá)到要求），從而引起P2的加大，也就加大了油液的溫升，而且溢流閥是元件中功率損失最大的元件，其ΔP最大。

（3）執(zhí)行元件的功率損失P3

（3）

式中：Tj——工作周期（s）

K——執(zhí)行元件個(gè)數(shù)

Pi ——各執(zhí)行元件的工作油壓（Pa）

Qi ——各執(zhí)行元件所需流量（m3/s）

ηi——液壓泵的容積效率

ti——各元件工作時(shí)間（s）

由（3）式可以看出，任何一個(gè)元件的工作油壓的提高，均會(huì)降低機(jī)械效率，損耗的能量均會(huì)提高油液的溫度。

（4）內(nèi)泄露功率損失P4

內(nèi)泄露（除正常的允許泄露外）的增加將極大的加大功率損失，使油溫升高，可由公式（2）進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)泄露時(shí)，油液從工作油壓變?yōu)榛赜陀蛪浩洳瞀j很大，泄露量Qj隨情況而變，而tj為具有壓差的工作時(shí)間，泄露處越多，量越大，能量損失越大，油溫越高。

（5）液壓系統(tǒng)的總發(fā)熱量P

P=P1+P2+P3+P4。

這四部分熱量積聚在一起，會(huì)使油溫迅速升高，為了不影響元件正常工作，必須采取降溫措施。

4.降溫措施，針對(duì)性的措施有主動(dòng)和被動(dòng)兩種

4.1 主動(dòng)降溫：

主動(dòng)降溫措施是提高系統(tǒng)的總效率。在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，力求減少系統(tǒng)壓力和體積損失，要注意選用高效率的液壓元件。

（1）選擇過(guò)濾器時(shí)，流量和過(guò)濾精度選擇不當(dāng)會(huì)造成系統(tǒng)壓差太大產(chǎn)生熱量使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)熱。

（2）合理選擇油管內(nèi)徑，盡量減少油管長(zhǎng)度和彎曲處。

（3）在調(diào)速回路設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免將節(jié)流閥設(shè)置在液壓缸的進(jìn)油端，形成進(jìn)油節(jié)流調(diào)速，這樣會(huì)使系統(tǒng)能量在節(jié)流中轉(zhuǎn)換成熱量，油溫升高。一般在不強(qiáng)調(diào)特定要求的情況下，選用變量泵定量馬達(dá)、定量泵變量馬達(dá)和變量泵變量馬達(dá)等容積式調(diào)速回路中與工況相適應(yīng)的一種，因?yàn)槿莘e式調(diào)速回路的一個(gè)顯著特點(diǎn)是溫升低、效率高。

（4）對(duì)于要采用背壓閥的液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中可以在液壓馬達(dá)上加裝具有背壓功能的控制閥，這樣可以減少壓力損失，進(jìn)而提高了系統(tǒng)效率。

（5）對(duì)于采用定量泵的液壓系統(tǒng)，加一蓄能器可以有效地控制油溫。蓄能器可以作為液壓泵停止供油時(shí)的備用或輔助動(dòng)力源，也可以用于制動(dòng)系統(tǒng)的保壓，并補(bǔ)充系統(tǒng)的泄露。

⑹采用限壓式變量泵作為動(dòng)力元件也可以有效地控制油溫。因?yàn)橄到y(tǒng)中壓力如果超過(guò)泵的設(shè)定值，泵的輸出量就會(huì)趨于零，用來(lái)補(bǔ)充泵的泄露，以維持系統(tǒng)壓力。

⑺盡量避免油液的污染，經(jīng)常檢查油液質(zhì)量及配合面，管接頭的密封，加入油箱的油要進(jìn)行過(guò)濾，除去雜質(zhì)。

4.2 被動(dòng)降溫：

被動(dòng)降溫措施主要是加強(qiáng)散熱和冷卻。

⑴ 散熱

在液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量一般都靠油箱、元件及管件表面來(lái)散熱，但是單靠這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以可以適當(dāng)加大他們的表面積。而液壓油溫的有效控制是系統(tǒng)正常工作的基本前提，故專用的冷卻裝置及相應(yīng)的冷卻回路在大多數(shù)工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)中成為不可或缺的環(huán)節(jié)。這些系統(tǒng)和回路包括：回油旁路散熱系統(tǒng)，控制系統(tǒng)供油泵散熱，液壓伺服控制型冷卻系統(tǒng)，電力冷卻系統(tǒng)等等。

⑵ 冷卻

目前的冷卻措施一般都是強(qiáng)制加在系統(tǒng)中的，常見(jiàn)的有水冷、風(fēng)冷和加裝油冷卻機(jī)方式。

水冷方式就是在液壓系統(tǒng)回油管路上加水冷卻器。按散熱效果分主要有多管式、翅片管式、滾牙管式等。

風(fēng)冷方式比較簡(jiǎn)單。將熱油引入冷卻器，經(jīng)過(guò)高導(dǎo)熱性銅管和高效鋁翅片將油液中的熱量傳遞到換熱器表面，被風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的循環(huán)空氣帶走，使油液溫度降低。

風(fēng)冷冷卻效果不及水冷。但是在某些情況下，例如在野外工作的08-32搗固車，攜帶水不太容易，不可能及時(shí)地更換冷卻水，因此冷卻完系統(tǒng)的水必須經(jīng)過(guò)再一次冷卻才可以重復(fù)使用，所以水冷并不可行。而盡管風(fēng)冷的冷卻效果（主要通過(guò)電扇）不如水冷，但考慮到08-32搗固車的工作環(huán)境，風(fēng)冷仍然是較好的選擇。這種方式要選擇它的電扇的能量來(lái)源：一個(gè)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)是油泵驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的話，系統(tǒng)必須要有足夠的電能。但在實(shí)際情況下，往往用油泵來(lái)驅(qū)動(dòng)。

加裝油冷卻機(jī)。這種冷卻方式比較可靠，對(duì)油溫可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。它主要由油泵、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)扇電機(jī)等組成。根據(jù)溫度控制方式有室溫同調(diào)型和溫度固定型兩種。

另外，若是周圍環(huán)境溫度過(guò)高使系統(tǒng)溫度升高，則要利用隔熱保溫材料、反射板等，使系統(tǒng)與外界熱源隔絕。

液壓系統(tǒng)的控制受到多方面的影響，我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將有更多更好的液壓油溫控制方式出現(xiàn)，統(tǒng)籌兼顧把對(duì)系統(tǒng)溫升的影響降到最低，最終找到一個(gè)高性能、穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)的方案，徹底解決液壓系統(tǒng)中發(fā)熱問(wèn)題。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文描述了液壓系統(tǒng)發(fā)熱所產(chǎn)生的危害，分析了液壓系統(tǒng)發(fā)熱的原因，提出了兩種的降溫措施：主動(dòng)降溫和被動(dòng)降溫。

⑴ 主動(dòng)降溫：主動(dòng)降溫措施是提高系統(tǒng)的總效率。在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，力求減少系統(tǒng)壓力和體積損失，要注意選用高效率的液壓元件。

⑵被動(dòng)降溫：被動(dòng)降溫措施主要是加強(qiáng)散熱和冷卻。

參考文獻(xiàn)：

[1]路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：

屈?。?980.10）男，工程師，2004年畢業(yè)于中南大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士學(xué)位。