某型多功能鉆機(jī)液壓油冷卻系統(tǒng)改進(jìn)

李 萌

（江蘇徐工工程機(jī)械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004）

多功能鉆機(jī)是超前鉆探、地質(zhì)取芯、注漿鉆孔、錨桿錨索等多工序施工裝備，某型號(hào)多功能鉆機(jī)液壓油采用風(fēng)冷模式，該機(jī)型作業(yè)負(fù)載大、所處工作環(huán)境惡劣，在極端高溫及高原環(huán)境下冷卻系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)散熱能力不足的現(xiàn)象，使得液壓油溫過高，從而導(dǎo)致各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)無力、工作動(dòng)作滯緩的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成機(jī)器失效，嚴(yán)重影響產(chǎn)品作業(yè)效率。

海拔每上升1000m，空氣密度減小約8%～9%，在高海拔環(huán)境下以空氣作為冷卻介質(zhì)的風(fēng)冷設(shè)備散熱能力大大降低；環(huán)境溫度升高使得液-氣溫差變小，散熱效率降低。本文針對(duì)該機(jī)型冷卻系統(tǒng)問題，在原車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱性能進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上，提出了原風(fēng)冷模塊串聯(lián)水冷模塊的改進(jìn)方案，改善了該機(jī)型液壓油散熱能力，經(jīng)整車熱平衡驗(yàn)證，改進(jìn)方案冷卻效果明顯，提升了該機(jī)型高原及高溫環(huán)境適應(yīng)性。

1 原液壓油冷卻系統(tǒng)性能分析

1.1 原液壓油冷卻系統(tǒng)參數(shù)

某型多功能鉆機(jī)原液壓油冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷模塊，液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇為液壓油板翅式散熱器提供冷卻空氣。液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量主要有以下幾個(gè)方面：①液壓泵的機(jī)械損失和容積損失；②溢流閥、液壓元件及管路的功率損失；③執(zhí)行元件的功率損失；④內(nèi)泄漏功率的損失。本文液壓油散熱量采用簡化的方法，液壓系統(tǒng)的效率按70%計(jì)算，其余功率轉(zhuǎn)化為熱量。原冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 樣機(jī)原液壓油冷卻系統(tǒng)參數(shù)

1.2 原液壓油冷卻系統(tǒng)性能仿真分析

散熱器性能數(shù)據(jù)是冷卻系統(tǒng)性能仿真計(jì)算的重要輸入?yún)?shù)，利用符合文獻(xiàn)1標(biāo)準(zhǔn)要求的散熱器風(fēng)室試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)該款液壓油散熱器進(jìn)行散熱性能試驗(yàn)，如圖所示。依據(jù)JB/T 10505-2016《內(nèi)燃機(jī)機(jī)油散熱器技術(shù)要求》中的試驗(yàn)方法測試散熱器在不同流量和風(fēng)速下的散熱性能。液壓油散熱器性能試驗(yàn)熱循環(huán)介質(zhì)使用46#液壓油，選擇4個(gè)油流量工況點(diǎn)，按照每個(gè)油流量下對(duì)應(yīng)4個(gè)風(fēng)速依次進(jìn)行試驗(yàn)，共16個(gè)檢測工況點(diǎn)，如表2所示。測試參數(shù)包含進(jìn)油溫度、出油溫度、油流量、進(jìn)風(fēng)溫度、平均出風(fēng)溫度、風(fēng)量、油阻、風(fēng)阻等。

表2 液壓油散熱器性能試驗(yàn)工況

圖1 散熱器風(fēng)道試驗(yàn)圖

風(fēng)扇性能是冷卻系統(tǒng)性能仿真計(jì)算的另一重要輸入?yún)?shù)，本文研究機(jī)型原液壓油冷卻風(fēng)扇性能曲線如圖2所示。

圖2 風(fēng)扇性能曲線圖

利用一維仿真軟件建立冷卻系統(tǒng)仿真模型，包含散熱器、冷卻風(fēng)扇、管路等元件，如圖3所示。

圖3 液壓油冷卻系統(tǒng)一維仿真模型

仿真結(jié)果如表3所示，以其中進(jìn)口油溫為評(píng)價(jià)冷卻系統(tǒng)性能的主要參數(shù)，一般要求進(jìn)口油溫不高于80℃。

表3 原液壓油冷卻模塊一維仿真結(jié)果

原液壓油冷卻系統(tǒng)一維仿真分析可以判斷，該冷卻系統(tǒng)可滿足平原地區(qū)50℃環(huán)境散熱需求，但不能滿足海拔4000m高溫環(huán)境散熱需求。

2 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)

提升液壓油風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻能力，一般通過增大散熱器散熱面積和提升冷卻風(fēng)量兩種途徑解決，增大散熱器散熱面積會(huì)導(dǎo)致散熱器體積變大，能耗增加；該車型液壓油冷卻系統(tǒng)布置在操作臺(tái)側(cè)邊，通過提升風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或增大風(fēng)扇直徑提升冷卻風(fēng)量會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇噪聲增大，使操作人員工作環(huán)境惡化。

因此，本文采用創(chuàng)新方法，在原有風(fēng)冷散熱模式的基礎(chǔ)上，增加水冷換熱模式，當(dāng)設(shè)備處于高溫環(huán)境，現(xiàn)有風(fēng)冷系統(tǒng)無法滿足散熱需求時(shí)，切換到水冷模式，采用水冷模式主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）冷側(cè)介質(zhì)為水，進(jìn)水溫度基本不受外界環(huán)境因素（海拔、氣溫）的影響，散熱效率高。

（2）不受粉塵環(huán)境的影響，散熱效果穩(wěn)定，清理頻率遠(yuǎn)低于風(fēng)冷系統(tǒng)。

（3）噪音低、節(jié)能。

在原液壓油風(fēng)冷模塊油路上串聯(lián)水冷換熱器，使液壓油先流經(jīng)原風(fēng)冷模塊后再流經(jīng)水冷換熱器最后回油箱。多功能鉆機(jī)本身自帶水路系統(tǒng)，用于鉆進(jìn)過程中降溫、排渣，因此，可對(duì)原水冷系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加液壓油水冷系統(tǒng)。外來水源先流經(jīng)水冷換熱器后經(jīng)過增壓再用于鉆進(jìn)過程降溫、排渣。改進(jìn)液壓油冷卻系統(tǒng)原理圖如圖2所示。增加的水路系統(tǒng)還包括過濾器、減壓閥、安全閥等水冷系統(tǒng)附件。水冷換熱器后還設(shè)有放水閥，當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度過熱時(shí)，打開放水閥，通過增大冷卻水流量提升散熱效率。

圖2 改進(jìn)液壓油冷卻系統(tǒng)原理圖

改進(jìn)后的液壓油冷卻系統(tǒng)具有風(fēng)冷模式、水冷模式及風(fēng)冷水冷復(fù)合冷卻模式。當(dāng)設(shè)備處于行走狀態(tài)或工作環(huán)境無高溫高海拔等特殊環(huán)境時(shí)，宜采用風(fēng)冷模式；當(dāng)設(shè)備處于作業(yè)工況且處于高溫高海拔特殊環(huán)境時(shí)，可采用水冷模式；當(dāng)工作環(huán)境水流量較小不能滿足水冷散熱需求時(shí)，可采用風(fēng)冷水冷復(fù)合冷卻模式。

由于工程環(huán)境冷卻水源雜質(zhì)較多，因此水冷換熱器選用抗污染能力強(qiáng)、水阻低的管式換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)計(jì)水流量為50L/min,換熱器殼體圓周方向兩個(gè)接口為進(jìn)出油口、端面兩個(gè)接口為進(jìn)出水口。

圖3 管式換熱器結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過理論計(jì)算，選用某型號(hào)水冷換熱器可滿足該機(jī)型液壓油冷卻需求，理論計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 水冷換熱器理論計(jì)算結(jié)果

3 整車熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

將水冷系統(tǒng)組件安裝在樣車上，在原液壓油散進(jìn)油口、水冷換熱器進(jìn)油口與進(jìn)水口分別安裝溫度傳感器，進(jìn)水管上安裝流量傳感器，進(jìn)行改進(jìn)前后整車熱平衡對(duì)比測試，測試現(xiàn)場如圖4所示。測試工況為：①原散熱模塊風(fēng)扇最大轉(zhuǎn)速，不接冷卻水源（水冷換熱器不發(fā)揮作用），動(dòng)力頭慢速進(jìn)給垂直連續(xù)打孔。②原散熱模塊風(fēng)扇不轉(zhuǎn)、外接水源，動(dòng)力頭慢速進(jìn)給垂直連續(xù)打孔。

圖4 熱平衡測試現(xiàn)場

整車達(dá)到熱平衡后，記錄進(jìn)油溫、進(jìn)水溫及水流量，如表3所示。

表3 樣車熱平衡對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，改進(jìn)后采用液壓油水冷系統(tǒng)，液壓油進(jìn)油溫低于要求的80℃，滿足樣車散熱需求，且散熱效率高于原風(fēng)冷系統(tǒng)。水冷系統(tǒng)散熱效率主要與水溫和水流量相關(guān)，高原及高溫環(huán)境對(duì)水冷系統(tǒng)影響較小，因此判斷水冷系統(tǒng)可滿足樣車在高原及高溫環(huán)境的散熱需求。

4 結(jié)論

（1）本文對(duì)某多功能鉆機(jī)原液壓油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了一維仿真校核，結(jié)果表明原冷卻系統(tǒng)可滿足平原地區(qū)散熱需求，但無法滿足高原及高溫環(huán)境散熱需求。

（2）對(duì)原液壓油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，創(chuàng)新性的增加了水冷模塊，對(duì)原車水路和油路進(jìn)行了改造，并對(duì)水冷模塊關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型計(jì)算。

（3）整車熱平衡試驗(yàn)結(jié)果，液壓油水冷系統(tǒng)散熱效率高于風(fēng)冷系統(tǒng)，可滿足高原及高溫環(huán)境散熱需求。