塔機頂升液壓系統(tǒng)節(jié)能降溫油箱設計及熱分析

費 燁， 楊 楠

（沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

世界能源理事會（WEC）研究發(fā)現(xiàn)：2020 年世界能源需求將高于1990 年世界能源需求的50%～80%[1]。能源需求的增長帶來了能源危機，也造了環(huán)境問題。在這一背景下，塔式起重機作為廣泛應用的工程機械，其節(jié)能減排研究顯得重要而迫切。

隨著高層及超高層建筑物興起， 自升塔式起重機應用廣泛。 在連續(xù)頂升過程中，液流因液阻作用、調速需要等因素造成壓力損失，產(chǎn)生熱量，使系統(tǒng)溫度升高。 液壓油正常工作溫度在50℃～80℃， 溫度過高使油液粘度下降、橡膠密封件變形、油液氧化變質，導致頂升系統(tǒng)無法正常工作[2]。

綜上，本文基于節(jié)能減排理念，借助塞貝克效應[3]，設計一種節(jié)能降溫液壓油箱， 輔助頂升回路散熱， 并通過AMESim 熱仿真對其可行性進行研究。

1 頂升液壓系統(tǒng)熱分析

塔機液壓頂升系統(tǒng)主要包括油箱、液壓泵、溢流閥、換向閥、平衡閥、頂升油缸等，如圖1 所示。

圖1 頂升液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of jacking hydraulic system

塔機頂升具體工作過程：換向閥處于右位時，油液經(jīng)換向閥右位到達平衡閥，頂開單向閥進入液壓缸無桿腔，作用在活塞并根據(jù)負載聚集壓力，油缸活塞桿伸出，頂起回轉及以上機構； 換向閥處于左位時，油液經(jīng)進入液壓缸有桿腔內，此時單向閥封閉油液無法流回油箱。有桿腔內壓力聚集到可以打開平衡閥時，無桿腔內油液流回油箱，油活塞桿收回，提起頂升橫梁；重復上述過程，獲得標準節(jié)放入的空間并進行安裝。

1.1 頂升回路的熱模型

利用AMESim 軟件對主要的產(chǎn)熱及散熱元件建立熱仿真模型，進而建立頂升液壓系統(tǒng)熱模型。

（1）液壓泵。 液壓泵作為系統(tǒng)的動力元件，在工作過程中主要由于機械損失和容積損失產(chǎn)生熱量。 圖2 為液壓泵熱模型。

圖2 液壓泵熱模型Fig.2 Thermal model of hydraulic pump

（2）平衡閥。 平衡閥是塔機頂升系統(tǒng)中重要的安全裝置，在回油腔形成背壓， 防止負載在重力作用下失速下降。 平衡閥原理如圖3 所示[4]。

根據(jù)平衡閥原理圖，利 用THCD 庫、Thermal庫、 熱液壓庫等建立平衡閥的熱模型，如圖4 所示。

同理搭建其余元件熱模型，得到圖5 塔機頂升液壓系統(tǒng)熱模型，主要參數(shù)設置見表1。

圖3 平衡閥原理圖Fig.3 Balance valve schematic diagram

圖4 平衡閥熱模型Fig.4 Heat model of balance valve

圖5 頂升液壓系統(tǒng)熱模型Fig.5 Thermal model of jacking hydraulic system

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters

1.2 模型驗證

根據(jù)實際頂升加節(jié)的情況，設置系統(tǒng)仿真工況。設置環(huán)境溫度30℃，油液為46 號液壓油，油缸行程2.6m，仿真時長14040s，步長5s，模擬連續(xù)頂升安裝6 個標準節(jié)。

圖6 為仿真得到油箱內油液溫度變化曲線， 液壓系統(tǒng)油液溫升迅速，在頂升第五節(jié)之后溫度達到84℃，超出正常工作溫度范圍。

圖6 油箱溫度變化曲線Fig.6 Oil tank temperature curve

1.2.1主要發(fā)熱元件計算

對系統(tǒng)的發(fā)熱及散熱情況計算分析來驗證模型正確性。 首先，對主要發(fā)熱元件計算如下：

（1）泵發(fā)熱功率：

式中：ην—泵機械效率；ηm—泵容積效率；p1—泵出口壓力；q1—泵出口流量。

（2）溢流閥損失引起的發(fā)熱功率：

式中：p2—溢流閥調定壓力；q2—溢流閥溢出的流量。

（3）平衡閥與換向閥的發(fā)熱功率：

式中：△p3，△p4—過閥壓力損失；q3，q4—過閥流量。

（4）液壓管路及其他元件的發(fā)熱功率：

這部分損失值較小，涉及的影響因素比較復雜，通常取全部功率損失的0.03～0.05。

結合仿真計算頂升液壓系統(tǒng)的總發(fā)熱功率：

1.2.2主要散熱元件計算

主要散熱元件的散熱功率計算如下：

（1）液壓油箱散熱功率為：Q1=αA1△T

式中：α，—散熱系數(shù)；A—油箱散熱面積；△T—油液與外界環(huán)境溫差。

（2）液壓管路散熱功率為：Q2=hlπd△T

式中；h—散熱系數(shù)；l—液壓管路長；d—管路直徑；△T—油液與外界環(huán)境溫差。

結合仿真，計算得到系統(tǒng)總散熱功率：

當系統(tǒng)熱量增加時， 系統(tǒng)熱量對時間的微分等于系統(tǒng)發(fā)熱功率與散熱功率之差[5]，即：

式中：Q'—液壓油的總熱量，s—時間。

根據(jù)熱力學公式Q=cm△T，得△T=Q/cm，利用不定積分知識整理得到油液熱量與工作時間的關系為：Q'=30230（1-e-0.0001s）。

當s=14040s 時，計算得油液總熱量為22805J，油液與環(huán)境溫差△T=57.1℃。 由圖6 同一時刻油液溫度89℃，與環(huán)境溫差為59℃，與計算結果相差較小，故該頂升液壓系統(tǒng)熱模型是正確的。

1.3 系統(tǒng)熱特性分析

圖7 不同散熱系數(shù)下油箱溫度Fig.7 Tank temperature under different heat dissipation coefficients

散熱系數(shù)對油箱的散熱效果起關鍵作用。 圖7 為不同散熱系數(shù)下油箱溫度，曲線1 至3 分 別表示散熱系數(shù)為15W/m2·℃、20W/m2·℃和25 W/m2·℃。 可知隨著散熱系數(shù)的增大，油液溫度有所降低，但仍不能達到安全工作溫度，故單靠系統(tǒng)自身散熱是不夠的，需要增加散熱器。

2 節(jié)能降溫油箱的設計

2.1 節(jié)能降溫油箱

利用半導體溫差發(fā)電原理[7]設計一種節(jié)能降溫液壓油箱，如圖8 所示。利用溫控開關控制當油溫低于70℃時對溫差發(fā)電的電能進行存儲，高于70℃則驅動風扇給油液降溫至60℃停止。

圖8 節(jié)能降溫油箱三維模型圖Fig.8 3D model diagram of energy-saving cooling tank

該油箱工作過程： 溫差發(fā)電片熱端緊貼油箱，冷端與環(huán)境接觸，利用頂升液壓系統(tǒng)工作時油液與環(huán)境溫差進行發(fā)電，利用熱管散熱器作熱沉，對發(fā)電片冷端進行散熱，保證冷熱端溫差，形成持續(xù)電流來驅動風扇進行風冷散熱。

2.2 溫差電源計算分析及實驗

溫差發(fā)電片選用SP1848-27145，根據(jù)廠家提供的單片溫差發(fā)電片熱電轉換參數(shù)計算，溫度達到70℃時（溫差40℃），散熱風扇啟動，溫差電源發(fā)電功率約P=1.8×0.368×9×2=11.92W。

自制節(jié)能降溫油箱模型進行實驗，水溫70℃、環(huán)境溫度30℃時（溫差40℃），利用萬能表測量溫差電源開路電壓為13.85V，電流為0.76A，說明該模型可以實現(xiàn)溫差發(fā)電，在相同溫差下實際發(fā)電功率為10.52W。

3 應用風冷散熱器頂升液壓系統(tǒng)熱平衡分析

圖9 新頂升液壓系統(tǒng)熱模型Fig.9 Thermal model of the new jacking hydraulic system

在回油路上增加風冷散熱器， 利用AMESim 軟件建立系統(tǒng)新模型，圖9 為應用風冷散熱器的液壓系統(tǒng)模型，運行時間23400s，步長5s，延長工作時間，觀察散熱效果。

圖10 油箱溫度變化曲線Fig.10 Oil tank temperature curve

圖10 為應用風冷散熱器油箱溫度變化曲線，對比原系統(tǒng)油液溫度明顯降低。

仿真得在70℃時風扇啟動所需功率為9.42W。 通過溫差電源的計算與實驗， 在70℃時溫差電源輸出的功率均達到10W 以上，可以驅動風扇。 說明利用溫差發(fā)電源為風扇提供動力是可行的。

4 結論

通過對塔機頂升液壓系統(tǒng)熱分析， 及對節(jié)能降溫液壓油箱實驗分析，得出以下結論：

（1） 塔機頂升液壓系統(tǒng)單靠自身元件不能滿足散熱需求，需要對系統(tǒng)進行強制冷卻散熱。

（2） 新型節(jié)能降溫油箱可以利用溫差電源將廢熱轉化為電能， 無需附加動力即可使油液在60℃至70℃安全溫度范圍內工作，保證塔機正常頂升，同時具有節(jié)能減排特點。

綜上，該新型油箱可用于塔機頂升液壓系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)中液壓油液的節(jié)能降溫， 也可為其他工業(yè)廢熱回收提供參考和借鑒。