鍛壓設(shè)備傳動介質(zhì)的溫度控制

屈向超，容建軍，楊國強，李顯通

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西寶雞 721000）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，國外以MEER、WEPUKO 等，國內(nèi)以蘭石重工、沈陽重機等為代表的世界高水平鍛壓設(shè)備制造廠商不斷適應(yīng)市場需求，大型、特大型鍛壓能力的鍛壓機械設(shè)備不斷的被生產(chǎn)使用。

鍛壓機械設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)能力強、效率高、自動化程度高、產(chǎn)品合格率高等諸多優(yōu)點，被廣泛使用。液壓傳動介質(zhì)作為壓機能量傳遞的主體，其使用性能越來越被重視。

1 常用液壓傳動介質(zhì)的介紹

液壓傳動介質(zhì)常用的有以水作為基質(zhì)的乳化液和以礦物油為基質(zhì)的各類不同使用性能、滿足不同使用要求的液壓油。

對于以水基乳化液作為傳動介質(zhì)的鍛壓設(shè)備，國內(nèi)水壓機以二重為典型代表，水壓縮比小、剛性大，傳動效率高、設(shè)備反應(yīng)速度快。由于水比熱容大，其在使用中溫度升高相對較慢，設(shè)備可以長時間開機作業(yè)。乳化液中礦物油可以減緩水對鐵的銹蝕并可以起到一定的潤滑作用，在早期小噸位鍛壓設(shè)備上得到較多使用。但是由于水的黏度低，水基液壓設(shè)備多數(shù)泄漏較大，設(shè)備的最高工作壓力也受到了限制。不過，水基介質(zhì)相對環(huán)保，在全國提倡環(huán)保的大形勢下越來越多的制造廠商將目光投向了水基液壓設(shè)備。

由于水壓機泄漏大、穩(wěn)定性較差、操控性不強，現(xiàn)在企業(yè)多使用的是油壓機，傳動介質(zhì)為礦物油基液壓油，根據(jù)使用工況添加不同成分。礦物油的壓縮比大，所以設(shè)備的柔性大、穩(wěn)定性較好，但是動作較為遲緩，礦物油其黏度大，相對于水壓機泄漏明顯減小，設(shè)備的最高工作壓力可以設(shè)計更高一些。但由于其黏度大，其快速流動時摩擦生熱更多，溫度升高更快。

2 液壓油溫度升高對其使用性能以及設(shè)備性能的影響

隨著大型鍛件市場需求的不斷增大，系統(tǒng)龐大復(fù)雜的液壓設(shè)備也越來越多，系統(tǒng)越龐大、液壓油路越復(fù)雜，液壓油的流道就越長，液壓油的溫升也就越快，當(dāng)油箱散熱能力有限時液壓油的溫度會逐步升高。油溫升高對其使用性能及設(shè)備性能的影響主要體現(xiàn)在以下3 個方面。

（1）黏度作為液壓油最主要的控制指標(biāo)，它隨著溫度升高有較大范圍的變化，油溫越高、黏度越小。液壓油黏度較低時有3個不利后果：①液壓系統(tǒng)的泄漏明顯增大，外泄會造成液壓油的損耗造成環(huán)境污染，系統(tǒng)內(nèi)部的泄漏又會加快油液溫度的升高；②液壓執(zhí)行元件的效率低下，設(shè)備的使用性能降低，嚴(yán)重時可能會影響設(shè)備的正常工作；③潤滑油膜的穩(wěn)定性差，會加劇零部件的磨損，縮短使用壽命。查閱相關(guān)資料可知，液壓油的最佳工作黏度范圍為16～36 mm2/s。

（2）液壓油溫度較高時，氣穴現(xiàn)象更容易產(chǎn)生，氣穴產(chǎn)生的氣蝕會嚴(yán)重?fù)p害元件表面，特別是泵等動力元件，進而大大縮短元件的使用壽命。

（3）液壓油工作于高溫環(huán)境并有金屬做催化時很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成積碳或油泥，液壓油長期溫度較高大于60 ℃時，氧化速率明顯增快，積碳或油泥對液壓油使用壽命影響是極大的。為了保障設(shè)備的正常使用，液壓油油泥氧化指數(shù)需要控制在50 以內(nèi)，高于該數(shù)值時則需要考慮對液壓油進行處理。如果設(shè)備液壓油使用量較少時考慮直接更換液壓油，而液壓油使用較多時首先考慮進行有效的過濾凈化。如果依舊達不到使用要求時必須更換液壓油并對油箱、管路進行清洗。對于大型設(shè)備，更換液壓油成本是極其高的，所以在使用過程中要嚴(yán)格控制液壓油的溫度。

3 液壓油溫度升高原因及其處理方法

由于液壓設(shè)備在使用過程中會產(chǎn)生熱量，而溫度過高會嚴(yán)重影響液壓油的使用性能，對于連續(xù)高強度作業(yè)的設(shè)備，溫度控制更為重要。液壓系統(tǒng)溫度升高的原因主要以下6 種。

（1）對于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，其主油路、控制油路等管路相應(yīng)增多，液壓油流程增長，在相同流速下，流程越長發(fā)熱量就越大，所以對于復(fù)雜液壓系統(tǒng)，在最初設(shè)計時就應(yīng)盡可能地集成化各液壓閥塊、閥組，并合理布置，減少管路使用。在液壓油流道設(shè)計時，要盡量減少不必要的變徑、彎頭，減少節(jié)流孔或閥的使用，保持液壓油平穩(wěn)流動，減少熱量的產(chǎn)生。

（2）為了節(jié)能，現(xiàn)在企業(yè)液壓系統(tǒng)常見的變量泵有恒功率變量泵與恒壓變量泵，恒功率變量泵其輸出流量與壓力呈反比的關(guān)系，當(dāng)其輸出壓力達到設(shè)定的工作壓力時，流量輸出就會減小，發(fā)熱量也會減少；恒壓變量泵當(dāng)其系統(tǒng)壓力小于設(shè)定壓力時相當(dāng)于定量泵，流量輸出為最大值，當(dāng)系統(tǒng)壓力大于等于設(shè)定壓力時，其輸出流量減少幾乎為零。對于有變量泵的液壓系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)壓力長時間保持在變量泵設(shè)定工作壓力時，流量輸出就會較大幅度的減少，發(fā)熱量也就明顯減少。這就要求系統(tǒng)溢流閥組或安全閥組能有效地保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定、不泄壓。蓄能器作為儲能裝置，其作用是吸收系統(tǒng)富余的液壓能，在需要的時候釋放，其有效可靠工作可以增長系統(tǒng)壓力穩(wěn)定時間，減緩變量泵的上壓頻次，減少流量輸出和熱量產(chǎn)生。

（3）內(nèi)泄漏是引起液壓系統(tǒng)溫升較大的主要原因之一。內(nèi)泄漏一般包括液壓閥的泄漏，泵、馬達的泄漏，油缸的泄漏等。內(nèi)泄漏是液壓元件高壓區(qū)域向低壓區(qū)域的泄漏，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致執(zhí)行元件不能正常工作，高壓油在泄漏同時會產(chǎn)生大量的熱量，引起油溫升高。

i.液壓系統(tǒng)溢流閥或安全閥的泄漏是最為常見的，當(dāng)系統(tǒng)不保壓或失壓時需要著重檢查溢流閥或安全閥，溢流閥的泄漏流量一般都比較大，發(fā)熱也較多。

ii.滑閥在內(nèi)泄較大時，其對應(yīng)執(zhí)行元件的功能就會受到明顯的影響，所以在系統(tǒng)正常使用期間，滑閥的內(nèi)泄可以忽略不計。

iii.泵、馬達的內(nèi)泄多是由于配合面磨損間隙較大，造成壓力油損失。對于大功率高轉(zhuǎn)速的泵或馬達，其內(nèi)泄漏需著重檢查，其對溫升影響是極大的。配合面磨損情況的檢查，可以通過使用磁鐵檢測泵或馬達內(nèi)泄口液壓油鐵含量。

iv.油缸泄漏多數(shù)情況下是由于密封損傷或失效引起的。當(dāng)油缸動作異常時需要及時檢查更換密封，否則相當(dāng)于直接循環(huán)加熱液壓油，溫升極快。

（4）對于液壓驅(qū)動的行走設(shè)備或旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在其頻繁動作時液壓油循環(huán)增快、溫升較快，使用中需要交替使用各有效動作或有意控制使用頻次。

（5）對于高頻次重復(fù)動作的設(shè)備，如快速自動鍛造壓機，其在使用中動作重復(fù)性高且速度快，液壓油循環(huán)快，油液溫升加快，特別是環(huán)境溫度較高時溫升極快，可以從鍛造工藝上或者生產(chǎn)調(diào)度上有意減緩其使用強度，錯排生產(chǎn)。

（6）油箱散熱慢造成系統(tǒng)溫升較快。油箱散熱分為自然散熱和強制換熱兩種，油箱設(shè)計滿足有足夠大的容量且盡可能的增大散熱面積，對于鍛壓設(shè)備油箱容量一般取系統(tǒng)最大流量的6～12 倍。

i.對于小型或不常使用的液壓系統(tǒng)，其系統(tǒng)發(fā)熱量全部通過油箱自然散熱，油箱散熱面積可由式（1）計算得出。

式中H——液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率

k——油箱傳熱系數(shù)，通風(fēng)很差時取8～9；良好時取15～17.5

TY——允許最高溫度，℃（一般液壓系統(tǒng)允許最高使用溫度為55 ℃）

T0——環(huán)境溫度，℃

對于需要強制換熱的液壓系統(tǒng)，可以通過風(fēng)扇強行冷卻，此時油箱傳熱系數(shù)可達20～23；條件允許情況下可以采用直接浸入冷卻循環(huán)水或加裝冷卻水盤管，此時油箱傳熱系數(shù)可達110～175。

ii.對于大型液壓系統(tǒng)或發(fā)熱量較大的液壓系統(tǒng)，需要考慮旁接換熱器強制換熱。換熱器換熱面積可由式（2）計算得出。

式中H——液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率

k——換熱器傳熱系數(shù)

K——污垢系數(shù)，一般取值0.8～0.9

?tm——逆流對數(shù)平均溫差，℃

其中，?tm=[（T進-t出）（T出-t進）]/in（T進-t出）（T出-t進）]。

從式（2）可以看出，板換污垢系數(shù)對換熱效果的影響較大。因此在換熱器的使用過程中，需要采取有效措施控制其污染情況：①在冷卻水水質(zhì)較硬且泥沙含量高的區(qū)域，最好選擇使用可拆卸板式換熱器，以保障冷卻循環(huán)水的清潔度，還必須使用濾網(wǎng)30 目以下的過濾器對循環(huán)水進行過濾且定期清洗濾芯，如果條件允許可以考慮加裝軟化水系統(tǒng)；②對于有冷卻塔的循環(huán)系統(tǒng)，必須盡可能地降低冷卻水被污染的可能性，如在塔架周圍加裝細網(wǎng)防止昆蟲、樹葉、棉絮等混入冷卻水，對塔架迎風(fēng)面進行必要的遮擋、防止灰塵等混入，還要根據(jù)冷卻塔填料的結(jié)垢情況定期更換，清理集水盤。

4 總結(jié)

對于鍛壓機械而言，傳動介質(zhì)的溫度控制意義極其重大，適宜的工作溫度不僅能保障液壓系統(tǒng)良好的工作狀況，還能延長了設(shè)備的使用壽命。同時，合理的油溫控制方法也能為液壓設(shè)備的正常使用保駕護航。