D11T推土機(jī)液壓油溫升高的熱力學(xué)研究及技改措施

(1.國家能源集團(tuán)神華準(zhǔn)能集團(tuán) 哈爾烏素設(shè)備維修中心， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.國家能源集團(tuán) 神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司氧化鋁中試廠， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

引言

哈爾烏素露天煤礦是我國“九五”時期煤炭改革中確定的重點建設(shè)露天煤礦[1]。該礦面積57.72 km2，資源儲量16.14億噸，是向西傾斜的單斜地質(zhì)構(gòu)造。此地區(qū)煤層多，斷層稀少，連續(xù)性好。該礦儲量豐富，是一種優(yōu)質(zhì)動力長焰煤，且該煤中灰、低硫、超低磷、高揮發(fā)分、中高熱值。

D11T推土機(jī)在哈爾烏素露天煤礦開采過程中起著關(guān)鍵作用，然而液壓系統(tǒng)油溫升高不僅加快液壓油的變質(zhì)，而且導(dǎo)致整個設(shè)備性能降低，故障率增加，嚴(yán)重影響正常施工作業(yè)。本研究通過熱力學(xué)公式計算出液壓系統(tǒng)的能量損失功率，并算出液壓油冷卻器改造前后的散熱量，提出了液壓油冷卻器的改造措施。在此基礎(chǔ)上改造了風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)管路及改裝傳感器的位置，最后通過實驗分別做出冬季、夏季液壓油冷卻器改造前以及改造后工作時間對液壓油溫度的影響對比圖。通過此次技術(shù)改造徹底解決了D11T推土機(jī)在實際生產(chǎn)過程中液壓油溫度快速升高的問題，保證了設(shè)備長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 計算液壓系統(tǒng)能量損失功率及液壓油溫度升高

D11T推土機(jī)液壓系統(tǒng)的內(nèi)部壓力(管路忽略不計)和機(jī)械損失構(gòu)成系統(tǒng)總的能量損失，能量損失都將轉(zhuǎn)化為液壓系統(tǒng)熱量，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)油溫升高且持續(xù)高溫[2]。作為D11T推土機(jī)液壓系統(tǒng)的重要組成部分，液壓油冷卻器在降低液壓系統(tǒng)油溫方面起著重要作用。因此，有必要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行能量損失與溫升計算，找到合適的物理參數(shù)對液壓油冷卻器進(jìn)行改造，使液壓系統(tǒng)油溫得到有效控制。

1.1 計算液壓系統(tǒng)能量損失功率

D11T液壓系統(tǒng)中油溫升高的主要原因是液壓主工作泵、液壓風(fēng)扇先導(dǎo)變量泵、系統(tǒng)中各種執(zhí)行部件的功率損失以及溢流閥的溢流損失[3]。此系統(tǒng)的能量損失功率H為：

H=P(1-η)

(1)

式中,P—— 主工作泵及風(fēng)扇泵的總驅(qū)動功率

η—— 液壓系統(tǒng)效率

η=ηpηcηa

(2)

式中，ηp—— 工作泵及風(fēng)扇先導(dǎo)泵的效率， 可從操保手冊中查到

ηa—— 工作機(jī)構(gòu)的總效率， 雙提升油缸及兩側(cè)傾斜油缸一般取 0.93～0.97

ηc—— 液壓系統(tǒng)回路的效率

(3)

式中，p—— 部件承載壓力

q—— 部件承載流量

∑p1q1—— 液壓系統(tǒng)各執(zhí)行部件承載壓力和承載流量乘積的總和[4]

∑pnqn—— 液壓主工作泵與液壓風(fēng)扇先導(dǎo)變量泵供給壓力和總輸出流量的乘積之和[5]

系統(tǒng)的能量損失功率即發(fā)熱功率H也可按下式估算，由于熱能的消耗總量約占主工作泵及風(fēng)扇先導(dǎo)泵總驅(qū)動功率的16%～32%，因此：

H=(16%～32%)P

(4)

而D11T推土機(jī)發(fā)動機(jī)為C32型，功率可直接查閱，所以：

P=930×0.746=693.78 kW

(5)

即系統(tǒng)的能量損失功率為：

H=(16 %～32 %)×693.78 kW

=111.0～222.01 kW

1.2 計算液壓油溫度升高

液壓系統(tǒng)中液壓油箱是主要的散熱部件，每個部件產(chǎn)生的總熱量H可以通過液壓系統(tǒng)中的各個散熱表面散發(fā)到空氣中[6]。因各類輸油管散熱面積較小，所以一般忽略不計。當(dāng)理論計算僅考慮液壓油箱的散熱時，液壓系統(tǒng)的總散熱量H0可用下式表示[7]：

H0=KAΔt

(6)

式中，K為液壓系統(tǒng)散熱系數(shù)[8][ W/(m2·℃)]，計算時根據(jù)實際情況選擇下列值：

當(dāng)通風(fēng)不良(無空氣循環(huán))時，K=7～9 W/(m2·℃)；

當(dāng)通風(fēng)良好(空氣流速為0.8～1.2 m/s左右)時，K=13～19 W/(m2·℃)；

有風(fēng)扇冷卻時，K=21～26 W/(m2·℃)；

有循環(huán)水冷卻時，K=115～180 W/(m2·℃)；

A為液壓油箱有效散熱面積，m2；

Δt為液壓系統(tǒng)溫升。一般機(jī)械設(shè)備 Δt≤34～36 ℃；礦用工程機(jī)械 Δt≤39～41 ℃；數(shù)控機(jī)床 Δt≤24～26 ℃。

當(dāng)D11T推土機(jī)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的總熱量H等于該液壓系統(tǒng)散到外界的熱量H0時，液壓系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，此時：

(7)

因為D11T推土機(jī)液壓油箱的長度，寬度和高度比約為 1∶1∶1～1∶2∶3，當(dāng)液壓油位是油箱高度的4/5時即液壓油位達(dá)到觀測孔上限，液壓系統(tǒng)的散熱表面積可近似用以下公式表示[9-10]:

(8)

故液壓油箱散熱量為：

=16.25 kW

然而D11T原裝液壓油冷卻器的散熱量為：

H01=KA1Δt

(9)

式中,K為液壓系統(tǒng)散熱系數(shù)[ W/( m2·℃) ]，計算時根據(jù)實際情況選擇下列值：

當(dāng)通風(fēng)不良(無空氣循環(huán))時，K=7～9 W/(m2·℃)；

通風(fēng)良好(空氣流速為0.8～1.2 m/s左右)時，K=13～19 W/(m2·℃)；

有風(fēng)扇冷卻時，K=21～26 W/(m2·℃)；

有循環(huán)水冷卻時，K=115～180 W/(m2·℃)。

A1為液壓油箱有效散熱面積，m2；

Δt為液壓系統(tǒng)溫升。一般機(jī)械設(shè)備 Δt≤34～36 ℃；礦用工程機(jī)械 Δt≤39～41 ℃；數(shù)控機(jī)床 Δt≤24～26 ℃。

所以D11T原裝液壓油冷卻器的散熱量為：

H01=8×0.4×0.4×40=51.2 kW

因此：H>H0+H01

即D11T液壓系統(tǒng)所散發(fā)出的總熱量遠(yuǎn)大于液壓油箱與液壓油冷卻器所能帶到空氣中的熱量，故液壓油溫度必然上升。

由式(6)及式(7)可導(dǎo)出:

(10)

式中，V為液壓油箱的有效容量，L。

從上式中可以看出，液壓油冷卻器的表面積與液壓系統(tǒng)溫升成反比，所以增加液壓油冷卻器的表面積可以降低液壓系統(tǒng)溫升。

由于設(shè)備空間有限，液壓油冷卻器只能放在2個中冷器的中間，同時液壓油冷卻器的高度不能超過主水箱的高度，且改造后的液壓油冷卻器的高度正好為改造前液壓油冷卻器高度的兩倍，所以：

D11T改造后液壓油冷卻器的散熱量為：

H02=KA2Δt

(11)

式中，K為液壓系統(tǒng)散熱系數(shù)[ W/( m2·℃) ]，計算時根據(jù)實際情況選擇下列值：

當(dāng)通風(fēng)不良(無空氣循環(huán))時，K=7～9 W/(m2·℃)；

通風(fēng)良好(空氣流速為0.8～1.2 m/s)時，K=13～19 W/(m2·℃)；

有風(fēng)扇冷卻時，K=21～26 W/(m2·℃)；

有循環(huán)水冷卻時，K=115～180 W/(m2·℃)。

A2為液壓油箱有效散熱面積，單位為m2；

Δt為液壓系統(tǒng)溫升。一般機(jī)械設(shè)備 Δt≤34～36 ℃；礦用工程機(jī)械 Δt≤39～41 ℃；數(shù)控機(jī)床 Δt≤24～26 ℃。

所以D11T改造后的液壓油冷卻器的散熱量為：

H02=14×0.4×0.8×40=179.2 kW

因此：H≥H0+H02

即D11T液壓系統(tǒng)所散發(fā)出的總熱量可以被液壓油箱與液壓油冷卻器完全散去，故液壓油溫升得到有效控制。

2 技改措施

2.1 改造液壓油冷卻器

通過分析中冷器、水箱的結(jié)構(gòu)和尺寸以及計算得到的液壓油冷卻器的實際散熱面積，對液壓油冷卻器進(jìn)行技術(shù)改造，如圖1所示。將液壓油冷卻器改造為40 cm×80 cm×15 cm板坯式冷卻器，通過增大液壓油冷卻器的熱交換面積以增大液壓油熱交換量；提高液壓油冷卻器的位置，將液壓油冷卻器的頂端與中冷器等高，在2個中冷器的中間安裝液壓油冷卻器，下端與底部護(hù)罩保持50 cm的距離，然后加寬2個中冷器的中間間隔，重新布置進(jìn)出口油路管線，保證油路順暢，避免與其他設(shè)備部件交叉干涉，利用訂制的固定螺栓將液壓油冷卻器固定在散熱器外側(cè)。增加液壓油冷卻器的高度，可以有效的防止灰塵、沙子和油污堵塞散熱片的間隙，從而保證液壓油冷卻器的潔凈，實現(xiàn)更好散熱。同時板坯式冷卻器的使用具有良好的通風(fēng)性能，并且不影響中冷器和冷卻劑的冷卻。改造后的液壓油冷卻器如圖2所示。

1.中冷器 2.水箱 3.液壓油冷卻器

2.2 改造風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)管路

將D11T履帶推土機(jī)上風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)需要的2個液壓泵安裝在發(fā)動機(jī)后右側(cè)護(hù)板下， 該護(hù)板需重新加固設(shè)計，連接管路也應(yīng)根據(jù)圖3重新布置，固定螺栓也要重新定制。改裝液壓泵為風(fēng)扇先導(dǎo)泵，該泵是前后的組合泵，前泵是可變排量活塞泵即主泵，后泵是固定排量泵即附加泵。主泵供給的大量油為風(fēng)扇馬達(dá)輸出功率所用，附加泵送一些油去幫助主泵，這就是液壓油控制油路，該油路必須用鐵質(zhì)輸油管路。多余油為先導(dǎo)供給油，先導(dǎo)閥塊必須安裝在先導(dǎo)泵的頂端，以保證油路順暢，無彎折。解析閥塊要設(shè)置鐵質(zhì)管路通道通往先導(dǎo)閥塊。

1.中冷器 2.水箱 3.液壓油冷卻器

1.風(fēng)扇泵壓力控制電磁閥 2.主泵控制閥 3.供給先導(dǎo)油 4.附加風(fēng)扇泵 5.主風(fēng)扇泵 6.風(fēng)扇泵 7.發(fā)動機(jī)ECM 8.冷卻液溫度傳感器 9.進(jìn)氣歧管空氣溫度傳感器 10.風(fēng)扇泵壓力傳感器 11.帶補(bǔ)油閥的風(fēng)扇馬達(dá) 12.液壓油冷卻器旁通閥 13.至油箱油流 14.液壓油冷器

2.3 改裝傳感器的位置

傳感器位置的改裝主要是以下3個重要的傳感器：冷卻液溫度傳感器、發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管空氣溫度傳感器、風(fēng)扇泵壓力傳感器[11-12]。

冷卻液溫度傳感器，如圖4所示。改裝前，該傳感器位于發(fā)動機(jī)缸體左側(cè)前方；改裝后，由于與改造管路干涉，將傳感器置于缸蓋的水套上，依然與冷卻液相接觸。冷卻液溫度傳感器的2個針腳都必須連接到中央控制模塊ECM，其中一個針腳為地線，另一個針腳為半導(dǎo)體熱敏電阻，隨溫度而變化。該傳感器溫度高，電阻小；溫度低，電阻大，可以隨時監(jiān)測冷卻液的溫度。

1.適配插頭 2.線管 3.針腳 4.卡扣

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管空氣溫度傳感器：改裝前，傳感器安裝在進(jìn)氣口的上端；改裝后，由于與改裝管路干涉，將傳感器置于進(jìn)氣口左前方。因發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管空氣溫度傳感器同為半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器，所以該傳感器與中央控制模塊ECM的連接方法及構(gòu)造同冷卻液溫度傳感器相同，工作原理也相同，即阻值變化引起電壓信號的變化，從而完成自動控制。

風(fēng)扇泵壓力傳感器，如圖5所示。改裝前，風(fēng)扇泵的壓力從液壓粗濾器的進(jìn)口處測得，該位置測得的風(fēng)扇泵壓力有管路損耗，壓力值略低于正常泵出口壓力；改裝后，風(fēng)扇泵前端加裝單向閥塊，閥塊上端安裝壓力傳感器，即可準(zhǔn)確檢測風(fēng)扇泵工作壓力，隨時掌握風(fēng)扇泵的工作狀態(tài)。

1.傳感器 2.襯墊

3 實驗驗證

對液壓油冷卻器技術(shù)改造前以及改造后進(jìn)行現(xiàn)場實驗驗證，分別對比了春季液壓油冷卻器改造前以及改造后工作時間對液壓油溫度的影響、夏季液壓油冷卻器改造前以及改造后工作時間對液壓油溫度的影響，實驗結(jié)果表明，無論在通風(fēng)良好的春季還是在炎熱的夏季液壓油冷卻器技術(shù)改造后均可明顯降低液壓油溫度。

3.1 春季液壓油冷卻器改造前以及改造后對比實驗

本實驗研究了春季液壓油冷卻器改造前以及改造后工作時間對液壓油溫度的影響。如圖6所示，改造前，由于原裝液壓油冷卻器散熱量不足，隨著工作時間的延長，即使在外部環(huán)境通風(fēng)良好的情況下液壓油溫度依然升高較快；改造后，液壓油冷卻器的散熱量已經(jīng)完全可以滿足液壓系統(tǒng)的散熱要求，隨著工作時間的延長，液壓油溫度升高較為平緩，冷卻器改造后可以明顯降低液壓油溫度。

圖6 春季液壓油冷卻器改造前以及改造后工作時間對液壓油溫度的影響

3.2 夏季液壓油冷卻器改造前以及改造后對比實驗

本實驗研究了夏季液壓油冷卻器改造前以及改造后工作時間對液壓油溫度的影響。如圖7所示，改造前，由于原裝液壓油冷卻器散熱量不足，加之夏季環(huán)境溫度很高，通風(fēng)不良，隨著工作時間的延長，液壓油溫度升高非?？欤珼11T推土機(jī)連續(xù)工作50 min，液壓油溫度迅速升高至118 ℃，液壓系統(tǒng)油溫已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常范圍；改造后，液壓油冷卻器的散熱量已經(jīng)完全可以滿足液壓系統(tǒng)的散熱要求，隨著工作時間的延長，液壓油溫度升高較為平緩，D11T推土機(jī)工作50 min，液壓油溫度緩慢升高至82 ℃。通過實驗可知，即使在炎熱的夏季，D11T推土機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)后液壓系統(tǒng)依然能保持在正常的溫度范圍內(nèi)。

圖7 夏季液壓油冷卻器改造前以及改造后工作時間對液壓油溫度的影響

4 結(jié)論

本研究通過研究冷卻器的散熱量找出了液壓油溫升高的故障成因，確定技術(shù)改造方案，并通過實驗驗證，解決了液壓油溫度升高問題。只有對液壓系統(tǒng)溫度升高進(jìn)行及時有效的控制，才能確保機(jī)械設(shè)備保持正常的工作溫度狀態(tài)，提高施工質(zhì)量和出動率。