某型液壓裝置冷卻策略的分析與研究?

侯志巖 孫忠奇

1 引言

傳統(tǒng)的機械設(shè)備，如液壓泵、風(fēng)機等，在以前的應(yīng)用中一般都不設(shè)上位機，自成體系，即依靠自身采集溫度、壓力、流量等模擬量通過表頭在控制箱上顯示，當(dāng)需要這些狀態(tài)量參與控制時，往往是通過溫度開關(guān)、壓力開關(guān)、流量開關(guān)等將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的開關(guān)量才能實現(xiàn)［1］。同時在人機工程方面的可視度也較差，操作者只能在問題發(fā)生時才能發(fā)現(xiàn)問題，對設(shè)備的過程狀態(tài)一無所知［2］。

隨著計算機和信息技術(shù)的長足發(fā)展，這種傳統(tǒng)方式已經(jīng)逐漸被新型信息化手段取代。常見的處理方式是設(shè)置上位機，將傳感器采集的各種狀態(tài)量全部上傳給上位機，通過上位機進行綜合信息處理，通過遠(yuǎn)程控制完成執(zhí)行機構(gòu)所需功能［3］。這樣做的好處［4］：一是由上位機遠(yuǎn)程控制，邏輯方便修改，控制更加靈活；二是可實現(xiàn)綜合故障診斷，甚至故障預(yù)測等以前不可能實現(xiàn)的功能；三是便于與整個系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)協(xié)調(diào)、互鎖控制等功能；四是提高了裝置的可維修性、可靠性等；五是改善了人機工程。

但在信息化改進的過程中，也有可能出現(xiàn)某些新問題。本文以艦船某型液壓裝置為對象，介紹了上位機對其控制時發(fā)生的冷卻策略不當(dāng)?shù)墓收?，并研究了一種新的冷卻策略解決了該問題。

2 原冷卻策略

該型液壓裝置由液壓泵站和機旁控制箱組成，將采集的液壓油溫度、冷卻水壓力等狀態(tài)量上傳給上位機，正常工作狀態(tài)下，由上位機遠(yuǎn)程實現(xiàn)液壓裝置的啟停、保護以及其它控制操作。在維護保養(yǎng)或應(yīng)急時可從機旁控制箱進行操作。其原理示意圖如圖1所示。

圖1 液壓裝置原理示意圖

該型液壓裝置通過普通淡水冷卻，原冷卻控制策略是：當(dāng)冷卻水壓力高于0.15Mpa時允許啟動液壓泵；當(dāng)冷卻水壓力低于0.15Mpa且持續(xù)20s以上時，則停止液壓泵。該策略在初期運行良好，但長期運行之后，由于供水水質(zhì)不佳，閥芯臟堵，導(dǎo)致冷卻水壓力波動，繼而出現(xiàn)液壓泵停機保護的故障。某次故障時采集到的冷卻水供水壓力波形如圖2所示。

圖2 冷卻水壓力故障時波形圖

原冷卻策略不合理的地方主要在于：

1）全系統(tǒng)的功能實現(xiàn)需要優(yōu)先保障液壓裝置可用，因此不希望液壓泵的保護過于敏感；

2）冷卻水的主要作用是冷卻液壓油，在液壓油的溫度還沒到保護值之前，液壓泵不應(yīng)該停機保護；對液壓系統(tǒng)適當(dāng)?shù)睦鋮s，可以延長使用壽命，提高工作效率；

3）該液壓裝置是一個低頻率使用設(shè)備，在冷卻水壓力不夠或無冷卻水的情況下，液壓油溫升也不快，因此原停機保護的策略過于苛刻。

3 液壓油溫升規(guī)律研究

針對該型液壓裝置，為了制定一種更好的冷卻策略，首先需要對液壓油的溫升規(guī)律進行研究。

液壓油的熱量平衡關(guān)系主要與以下三個方面的因素有關(guān)［5～7］：

1）液壓裝置在待機狀態(tài)下（負(fù)載不工作），液壓油吸收的熱量在一定范圍內(nèi)隨時間近似呈線性增長；

2）液壓裝置在接負(fù)載工作時，液壓油吸收的熱量與負(fù)載的啟動次數(shù)有關(guān)，負(fù)載啟動次數(shù)越多，吸收的熱量越多；

3）忽略裝置的輻射散熱和管道的傳導(dǎo)散熱，液壓油的熱量主要靠冷卻水帶走，冷卻水流量越大，帶走的熱量越多。

綜上所述，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，可以得到式（1）［8～10］。

其中，P為待機狀態(tài)時液壓裝置的發(fā)熱功率，t為時間，W為負(fù)載動作一次時液壓裝置額外的發(fā)熱量，k為負(fù)載的動作次數(shù)，cW為水的比熱，ρ為水的密度，Q為冷卻水流量，TW是冷卻水的出口溫度，TW0是冷卻水的入口溫度，cO為液壓油的比熱，m為液壓油質(zhì)量，TO是液壓油的當(dāng)前溫度，TO0是液壓油的初始溫度。

通過式（1）可得液壓油的溫度表達式如式（2）所示。

液壓油溫升規(guī)律的相關(guān)參數(shù)取值如表1所示。

表1 液壓油溫升相關(guān)參數(shù)

4 新冷卻策略

以上述液壓油溫升規(guī)律為基礎(chǔ)，制定新的冷卻控制策略為：取消將冷卻水壓力作為液壓泵停機保護的條件，并設(shè)置液壓油報警溫度閾值為60℃。規(guī)定當(dāng)液壓油溫升至60℃時，上位機上顯示黃燈報警，當(dāng)液壓油溫升至65℃時，上位機上顯示紅燈故障并立即停泵保護。當(dāng)冷卻水故障、液壓裝置正常使用，即取Q＝0，k=10時，根據(jù)式（2）計算，油溫升高5℃約需1.4h，因此，當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)黃燈報警時，應(yīng)立即檢查并在1.4h內(nèi)恢復(fù)冷卻水。

設(shè)置液壓油報警溫度閾值為60℃的依據(jù)是：

1）整個系統(tǒng)工作在艦船艙內(nèi)環(huán)境條件下，技術(shù)要求規(guī)定的工作溫度范圍是-10℃～40℃，另外考慮到溫度檢測的誤差為±2，因此報警溫度閾值必須大于42℃，以防止環(huán)境溫度達到上限時，上位機發(fā)生誤報；

2）根據(jù)系統(tǒng)的可維修性指標(biāo)（平均故障修復(fù)時間1h），為了滿足從報警到故障保護的時間大于1h，由式（2）反算可得到報警溫度閾值需小于等于60℃。

設(shè)置液壓油保護溫度閾值為65℃是受限于液壓油本身的特性，液壓油溫度過高時，其粘度減小，則液壓裝置的功能將失效［11～12］。

新冷卻策略的優(yōu)點是

1）對冷卻水供水的要求大大降低，徹底解決了冷卻水壓力不穩(wěn)導(dǎo)致液壓泵停機保護的問題；

2）解決了液壓裝置在冷卻水供水不足或不供水的情況下應(yīng)急工作的問題，并定量計算了能夠應(yīng)急工作的時間；

3）提高了可維護性，可使液壓裝置不依賴外界條件而單獨進行維護保養(yǎng)。

5 試驗驗證

為了驗證上述新冷卻策略的有效性，通過實際液壓裝置進行試驗。利用溫度傳感器采集液壓油溫度和冷卻水入口溫度，通過上位機實現(xiàn)系統(tǒng)的啟停、負(fù)載加載、負(fù)載卸載等控制。

正式試驗前，先啟動液壓裝置半小時，冷卻水正常供水，待穩(wěn)定后先記錄液壓油初始溫度再開始正式試驗。試驗中每隔半小時記錄一次液壓油溫、冷卻水入口溫度以及冷卻水出口溫度。第一輪試驗保持冷卻水正常供水，但液壓裝置處于待命狀態(tài)，即負(fù)載不加載；第二輪試驗保持冷卻水正常供水，負(fù)載模擬正常工況使用，即每隔6min，負(fù)載加載一次，完成后即卸載負(fù)載；第三輪試驗全程冷卻水不供水，同樣每隔6min，負(fù)載加載一次，完成后即卸載負(fù)載。試驗結(jié)果見圖3所示。

從圖3試驗波形來看，正常工作下，油箱的起始溫度和冷卻水入口溫度都與環(huán)境溫度基本一致；在第一輪試驗中，冷卻水正常供水，液壓裝置待命時，液壓油溫度基本維持穩(wěn)定，每小時上升幅度為0.25℃左右；在第二輪試驗中，冷卻水正常供水，液壓裝置也正常工作，液壓油溫度會緩慢上升，每小時上升幅度為2.0℃左右；在第三輪試驗中，冷卻水不供水，液壓裝置仍然正常工作，液壓油溫度上升較快，4h就升至32℃左右，每小時上升幅度為3.0℃左右。由此驗證了新冷卻策略的有效性。

圖3 液壓油溫度波形圖

同時從圖3還可以看出，實測值均低于計算值，主要是忽略了裝置的輻射散熱和管道的傳導(dǎo)散熱等因素導(dǎo)致。

6 結(jié)語

本文所述的冷卻策略改進方法適用于低頻使用、溫度變化較慢的應(yīng)用場合，而當(dāng)溫度變化較快時則需謹(jǐn)慎評估使用。

事實上，冷卻水的作用是為了降低液壓油的溫度，采用直接變量（液壓油溫）作為控制量，相比于采用間接變量（冷卻水壓力）作為控制量，既簡單又可靠。該思想方法在處理其它問題時也值得參考和借鑒。

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