液壓鉆機(jī)冷卻器選型設(shè)計(jì)

羅詩偉

(陜西核昌機(jī)電裝備有限公司，陜西 咸陽 712000)

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液壓鉆機(jī)冷卻器選型設(shè)計(jì)

羅詩偉

(陜西核昌機(jī)電裝備有限公司，陜西 咸陽 712000)

本文以HQY-500全液壓鉆機(jī)為例，闡述該鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)熱平衡、散熱量及冷卻器的選擇和冷卻回路設(shè)計(jì)。該鉆機(jī)為便攜式，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小，所以單靠油箱和元件及管件表面散熱是不夠的，必須采用冷卻器對(duì)液壓油進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。散熱的好壞，直接影響鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的利用效率，因此冷卻器的選型設(shè)計(jì)就顯得十分重要。

鉆機(jī)；液壓系統(tǒng)；熱平衡；冷卻器；選型

1 引言

目前鉆機(jī)的各動(dòng)作普遍采用液壓傳動(dòng)來完成。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，各液壓元件及管路等會(huì)有摩擦損失、壓力損失、容積損失。這些功率損失最終都轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高，而溫升會(huì)導(dǎo)致液壓油的物理、化學(xué)性質(zhì)改變，特別會(huì)使介質(zhì)急速老化。油溫過高會(huì)引起油液黏度變化，使液壓系統(tǒng)中泄漏增加，系統(tǒng)容積效率降低，橡膠密封失效，甚至?xí)馃崤蛎浵禂?shù)不同的運(yùn)動(dòng)件之間的間隙變小而卡死。另外，為保持液壓系統(tǒng)的良好工作性能，油溫一般應(yīng)保持在50～80 ℃的范圍內(nèi)。所以液壓系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)是鉆機(jī)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

2 HQY-500全液壓鉆機(jī)簡(jiǎn)介

HQY-500全液壓鉆機(jī)在設(shè)計(jì)初期就設(shè)定了主打便攜、利于搬遷的目標(biāo)，為了使整機(jī)的最大部件質(zhì)量不超過175 kg，在動(dòng)力選擇上采用小功率動(dòng)力單元并聯(lián)形式，由3臺(tái)柴油機(jī)帶動(dòng)3組液壓泵工作，經(jīng)合流后，再分別輸出給各動(dòng)力執(zhí)行單元。在設(shè)計(jì)中充分運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理念，突出實(shí)用、輕巧的設(shè)計(jì)思路，以滿足坑道、深山、高地等難進(jìn)入地帶的施工需求，在結(jié)構(gòu)上采用動(dòng)力源執(zhí)行部分和操縱部分分置的設(shè)計(jì)思路，以增強(qiáng)其對(duì)施工環(huán)境的適應(yīng)能力，集成化、小型化的模塊化設(shè)計(jì)理念，可以滿足復(fù)雜地帶施工的需求，縮短施工準(zhǔn)備時(shí)間，降低了工作強(qiáng)度。本文經(jīng)過詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，完成了鉆機(jī)的冷卻系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)。

3 液壓系統(tǒng)選型和計(jì)算

3.1 輸入動(dòng)力部分

該鉆機(jī)選定的柴油機(jī)為常柴的CZ480Q(26.5 kW@2500 r/min)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2500 r/min，輸出總功率P=3×26.5=79.5 kW；當(dāng)轉(zhuǎn)速為2200 r/min時(shí)，輸出的總功率P=3×24=72 kW(根據(jù)柴油機(jī)功率特性曲線得出)。因此，使用小排量的SAUER-DANFOSS齒輪泵時(shí)用高轉(zhuǎn)速2500 r/min，大排量的長(zhǎng)江液壓齒輪泵時(shí)用低轉(zhuǎn)速2200 r/min。這樣可以省油并且延長(zhǎng)柴油機(jī)的使用壽命。此時(shí)系統(tǒng)的總功率為P=2×24+26.5=74.5 kW。

3.2 動(dòng)力源部分

由3組單泵組成，兩臺(tái)是長(zhǎng)江液壓的齒輪泵，排量為32.8 mL/r，額定壓力35 MPa，另外一臺(tái)是SAUER-DANFOSS的齒輪泵，排量為19 mL/r，額定壓力27.5 MPa。因此，系統(tǒng)總的輸出流量為192 L/min。設(shè)定系統(tǒng)的工作壓力為20 MPa。

3.3 功能執(zhí)行部分

3.3.1 動(dòng)力頭馬達(dá)

工況一：高速馬達(dá)，馬達(dá)排量為130 mL/r，在20 MPa壓力下，輸出扭矩為414 N·m；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 r/min時(shí)，所需的幾何流量為Q1=130 L/min，此時(shí)的液壓功率為P1=43 kW。說明需要將近兩臺(tái)柴油機(jī)的功率才能達(dá)到液壓馬達(dá)所需的功率。

工況二：低速馬達(dá)，馬達(dá)排量為623 mL/r，在20 MPa壓力下，輸出扭矩為2000 N·m；供給的幾何流量為130 L/min時(shí)，轉(zhuǎn)速最高達(dá)到210 r/min。

3.3.2 液壓絞車馬達(dá)

為擺線馬達(dá)，排量為115 mL/r，額定壓力18 MPa，繩速34～50 m/min，拉力1025～1500 N。在轉(zhuǎn)速70 r/min時(shí)，液壓絞車需要的流量為Q2=8 L/min，額定壓力18 MPa，此時(shí)的功率P2=2.4 kW。

3.3.3 進(jìn)給油缸

鉆機(jī)的給進(jìn)油缸，缸徑63 mm，桿徑45 mm，給進(jìn)速度為300 mm/min，起拔速度為10 800 mm/min，則：

a、壓力為20 MPa時(shí)，起拔力F=62 300 N；起拔時(shí)為無桿腔進(jìn)油，此時(shí)所需的流量為Q3=33.5 L/min，功率P3=11.2 kW。

b、進(jìn)給力F=30 000 N，進(jìn)給時(shí)有桿腔進(jìn)油，此時(shí)所需的流量Q6=0.48 L/min，功率P6=0.16 kW。當(dāng)采用雙油缸時(shí)，則起拔力為125 kN，進(jìn)給力為60 kN。最大流量需要滿足Q3×2=67 L/min，功率為P3×2=22.4 kW。

3.3.4 孔口夾持油缸

夾持油缸缸徑63 mm，桿徑32 mm，額定工作壓力為15 MPa，最高20 MPa，夾緊時(shí)是無桿腔進(jìn)油，則油缸的夾持力為46 735 N。夾持油缸的行程很短，只有20 mm，速度上要求不是很高，故其功率、流量很小，可以按功率P4=1 kW、流量Q4=0.5 L/min計(jì)算。

3.3.5 泥漿泵

選用YZ4-150液壓直驅(qū)式泥漿泵，所需系統(tǒng)流量Q5=50 L/min，額定壓力為20 MPa，最大排量為150 L/min，最大水壓7 MPa。則其液壓功率為P5=16.7 kW。

3.4 功率和流量綜合計(jì)算及校核

執(zhí)行元件的最大功率為幾個(gè)元件所需的最大功率的總和，即P=P1+P2+2×P3+P4+P5=85.5 kW。所需的系統(tǒng)的最大總流量為Q=Q1+Q2+2×Q3+Q4+Q5=255.5 L/min。

根據(jù)鉆機(jī)各部分執(zhí)行元件的工作原理和先后順序，以及鉆探施工工藝，可以得出其五個(gè)部分不能同時(shí)工作或有幾個(gè)部分同時(shí)工作的，則根據(jù)其同時(shí)動(dòng)作的情況分別計(jì)算其所需功率和流量如下：

(1)第一工況：主馬達(dá)工作的時(shí)候，泥漿泵、給進(jìn)油缸有桿腔工作；此時(shí)功率為P=P1+P5+P6=59.86 kW，小于系統(tǒng)的總功率74.5 kW；此時(shí)需要的系統(tǒng)流量為Q=Q1+Q5+Q6=180.48 L/min，小于系統(tǒng)總流量192 L/min。

(2)第二工況：液壓絞車工作時(shí)，主馬達(dá)不工作，夾持油缸工作，泥漿泵不工作；此時(shí)的功率為P=P2+P4=3.4 kW，小于系統(tǒng)的總功率74.5 kW；此時(shí)需要的系統(tǒng)流量為Q=Q2+Q4=8.5 L/min，小于系統(tǒng)總流量192 L/min。

(3)第三工況：給進(jìn)油缸無桿腔進(jìn)油工作，主馬達(dá)不工作，泥漿泵不工作，液壓絞車不工作，夾持油缸可工作也可不工作；此時(shí)功率為P=2×P3+P4=23.4 kW，小于系統(tǒng)的總功率74.5 kW；此時(shí)需要的系統(tǒng)流量為Q=2×Q3+Q4=67.5 L/min，小于系統(tǒng)總流量192 L/min。

綜合所述，其三種工況及執(zhí)行動(dòng)作所需的功率和流量都滿足液壓系統(tǒng)提供的總流量和總功率。其中功率的最大利用率為80%，流量的最大利用率為94%。

4 冷卻器散熱計(jì)算及選型

4.1 液壓系統(tǒng)的整體最大熱當(dāng)量

液壓系統(tǒng)最大熱當(dāng)量可按公式(1)計(jì)算。

選取水力梯度i=6條件下，3種土體梯度比Gr值隨時(shí)間的變化曲線(如圖3所示)，揭示排水管在水的滲流作用下淤塞的發(fā)展演化過程。

(1)

式中：W—液壓功率熱當(dāng)量，kJ/min；

p—液壓系統(tǒng)壓力，MPa；

Q—液壓系統(tǒng)最大流量，L/min。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得，W=3840 kJ/min，即64 kW。

4.2 液壓系統(tǒng)的散熱功率

液壓系統(tǒng)散熱功率按公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：K1—油箱散熱系數(shù)，油箱外露通風(fēng)良好，取K1=15；

K2—管路散熱系數(shù)，由于采用膠管，散熱不好，故取K2=0；

A1—為油箱的散熱面積，油箱的長(zhǎng)×寬×高=0.6 m×0.5 m×0.4 m，即油箱的表面積為1.48 m2；

A2—管道的散熱面積，在這里可以不計(jì)；

Δt—油溫與環(huán)境溫度之差，此處設(shè)定環(huán)境溫度為25℃，油溫最高60℃，即溫差為35℃。

根據(jù)上述參數(shù)的選擇，可得出液壓系統(tǒng)本身的散熱功率Phc=777 W。

4.3 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率

液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率可按公式(3)計(jì)算。

(3)

式中：Phr—液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率，kW；

Ph—系統(tǒng)總功率，kW；

Pr—輸出的有效功率，系統(tǒng)輸出的有效功率，隨著工況的不同，會(huì)有所不同，最大為64 kW，最小為3.4 kW。

(1)在上述第一種工況的情況下，Ph=74.5 kW，Pr=64 kW，則Phr=74.5-64=10.5 kW。

(2)單獨(dú)使用絞車時(shí)，此時(shí)做功最小，柴油機(jī)產(chǎn)生的液壓能，基本上都變成了熱能，功率被浪費(fèi)，同時(shí)系統(tǒng)的油溫上升的也很快，但是這種工況的使用時(shí)間比較短，正常鉆進(jìn)的時(shí)間總比單用絞車的時(shí)間要長(zhǎng)。并且如果要比較長(zhǎng)時(shí)間用絞車，鉆機(jī)可以關(guān)閉2臺(tái)柴油機(jī)，這樣可以使系統(tǒng)的總體功率下降，所以這種第二工況下，Ph=24 kW，Pr=3.4 kW，則Phr=24-3.4=20.6 kW。

(3)在第三種工況下，鉆機(jī)系統(tǒng)可以關(guān)閉驅(qū)動(dòng)泥漿泵的柴油機(jī)，總功率可以下降26.5 kW，則此工況下的發(fā)熱功率為Phr=74.5-23.4-23.5=20.6 kW。

綜合三種工況下，發(fā)熱功率最大的是在第三種工況下，設(shè)計(jì)選型時(shí)按第三種工況下的發(fā)熱功率計(jì)算，從而可以得出冷卻器的參數(shù)。

4.4 冷卻器散熱面積計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)自身的散熱條件，無法滿足使用要求，如果再加大油箱的散熱面積，油箱的體積和重量都會(huì)很大，故只能裝設(shè)冷卻器。

冷卻器的散熱面積計(jì)算見公式(4)。

(4)

式中：K—冷卻器的散熱系數(shù)，取407；T1—液壓油入口溫度；T2—液壓油出口溫度；t1—冷卻水或風(fēng)入口溫度；t2—冷卻水或風(fēng)出口溫度。在常溫常壓下，設(shè)定液壓油入口溫度為30 ℃，出口溫度60 ℃，冷卻水入口溫度15 ℃，出口溫度20 ℃。

代入各數(shù)值可以得出，冷卻器的散熱面積A=2.13 m2，因此選擇的冷卻器的散熱面積大于2.13 m2，即可滿足鉆機(jī)的使用。

4.5 冷卻器選型

如上所述，因鉆機(jī)由于受結(jié)構(gòu)條件的限制，油箱設(shè)計(jì)較小，因而散熱面積小，單靠油箱自然散熱冷卻不足以使溫度保持在60 ℃以下，所以在液壓系統(tǒng)中設(shè)置冷卻器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。本鉆機(jī)選用的冷卻器型號(hào)為EL-533型，散熱面積為3.3 m2，殼體壓力1 MPa，介質(zhì)壓力0.5 MPa，最小介質(zhì)流量為110 L/min，故其各項(xiàng)參數(shù)皆滿足。

5 結(jié)語

通過實(shí)踐以及用戶的反饋說明，該鉆機(jī)的液壓冷卻系統(tǒng)實(shí)用、可靠、高效，在后續(xù)的研發(fā)設(shè)計(jì)中，已經(jīng)推廣使用，取得了很好的成功，并產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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2017-03-23

羅詩偉(1978-)，男，新疆昌吉州人，高級(jí)工程師、注冊(cè)建造師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，主要從事鉆探機(jī)械的研發(fā)、非標(biāo)機(jī)械的設(shè)計(jì)制造以及對(duì)外技術(shù)合作，陜西省咸陽市玉泉西路秦都科技產(chǎn)業(yè)園，E-mail：anuov@163.com。

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