換熱器在大型機(jī)械壓力機(jī)液壓系統(tǒng)上的升級應(yīng)用

高中偉，杜雪峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西西安 710200）

0 引言

換熱器是大型機(jī)械壓力機(jī)濕式離合器液壓系統(tǒng)中必不可少的熱交換元件，其換熱效率高低直接影響著整個(gè)離合器液壓系統(tǒng)中油壓、油溫等參數(shù)，如果油液溫度過高,將會(huì)嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的正常工作，同時(shí)縮短離合器控制元件及其內(nèi)部各密封件的使用壽命。

2400T 壓力機(jī)采用德國Ortlinghaus 公司的濕式離合器液壓泵站系統(tǒng)，其內(nèi)部熱交換器為Danfoss 板式換熱器，每到夏季高溫季節(jié)，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)濕式離合器泵站高油溫報(bào)警如圖1，現(xiàn)場實(shí)測油溫最高可達(dá)65 ℃以上，系統(tǒng)油溫過高會(huì)對離合器內(nèi)部液壓密封及其管路附件造成損壞，縮短離合器壽命。分別嘗試通過增大冷卻水供水流量和弟奧克斯98 除垢劑清理換熱器的辦法來提高換熱效率從而降低系統(tǒng)油溫，但效果均不理想。

圖1 離合器泵站高油溫報(bào)警故障

技術(shù)人員通過查找相關(guān)資料，研究分析得出增大熱交換器換熱面積可以提高系統(tǒng)換熱效率解決此痼疾性問題。因此小組決定對2400T 壓力機(jī)濕式離合器液壓泵站板式換熱器進(jìn)行換型升級，提升系統(tǒng)換熱效率，將系統(tǒng)油溫控制在30～50 ℃允許范圍。本文就換熱器在壓力機(jī)濕式離合器液壓系統(tǒng)上的選型升級、改造應(yīng)用等進(jìn)行簡析。

1 濕式離合器液壓系統(tǒng)組成及原理

1.1 離合器液壓系統(tǒng)組成及原理

壓力機(jī)濕式離合器液壓系統(tǒng)主要由離合器、制動(dòng)器、離合器控制系統(tǒng)、制動(dòng)器控制系統(tǒng)、蓄能器、分油器、壓力油輸送管道、冷卻油輸送管道、回油管道、液壓泵站組成（圖2）。LS4-2400E壓力機(jī)噸位大、速度高，為確保設(shè)備在滿負(fù)荷條件下每天工作16～22 h，離合器/制動(dòng)器采用德國進(jìn)口Ortlinghaus 濕式離合器/制動(dòng)器，它們是壓力機(jī)的關(guān)鍵部件，安裝在橫梁前側(cè)飛輪上。

圖2 濕式離合器液壓控制系統(tǒng)

離合器的工作原理是：安放于地坑上的控制泵站上的電機(jī)帶動(dòng)油泵，向離合/制動(dòng)器提供液壓油，工作壓力為86 bar（8.6 MPa），壓力油通過泵站上的濾油器到達(dá)控制閥組，進(jìn)入閥組上的雙閥（軟離合/軟制動(dòng)）。雙閥通電，壓力油經(jīng)過雙閥、旋轉(zhuǎn)接頭到達(dá)離合器制動(dòng)器的液壓缸，推動(dòng)活塞移動(dòng)，使制動(dòng)器脫開，離合器結(jié)合，飛輪帶動(dòng)高速軸旋轉(zhuǎn)，使滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),蓄能器為雙閥補(bǔ)充壓力油，使離合器/制動(dòng)器的動(dòng)作更加靈敏、安全、可靠。

制動(dòng)時(shí)，雙閥斷電，離合器/制動(dòng)器上的活塞在彈簧力的作用下將油壓回，油又通過雙閥流回油箱，同時(shí)離合器脫開，制動(dòng)器結(jié)合，使高速軸停止旋轉(zhuǎn)。泵站上的電機(jī)同時(shí)帶動(dòng)另一個(gè)油泵，向離合器/制動(dòng)器提供冷卻油，冷卻油經(jīng)濾油器、熱交換器、流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)接頭到達(dá)離合器/制動(dòng)器，冷卻摩擦片之后流回油箱。流量計(jì)檢測冷卻油流量，提高離合器/制動(dòng)器的安全可靠性，冷卻油流量不能低于150 L/min。

1.2 液壓泵站系統(tǒng)組成及原理

濕式離合器液壓泵站系統(tǒng)如圖2 所示，主要由電機(jī)、水閥、壓力油過濾器、壓力開關(guān)、壓力油出口、冷卻油出口、熱交換器、回油口、冷卻油節(jié)流閥、系統(tǒng)壓力表、系統(tǒng)壓力控制閥、接線盒、冷卻油過濾器、溫度開關(guān)、加油口、液位計(jì)、清洗孔、放油口以及集油盤組成。

換熱器用于冷卻，使冷卻油油溫不高于65 ℃，熱交換器需由用戶引入冷卻水，進(jìn)水量為220 L/min，進(jìn)水溫度不能高于25 ℃，水質(zhì)為軟用水級，但對冷卻油的流量有嚴(yán)格的要求。流量計(jì)是濕式離合器工作時(shí)為防止溫度過高，安裝在離合器的冷卻循環(huán)管路上對管路中冷卻油的流量進(jìn)行檢測，當(dāng)流量達(dá)到設(shè)置的流量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)線路接通發(fā)出正常訊號，滿足壓機(jī)行程工作條件。當(dāng)流量低于設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)流量檢測計(jì)線路斷開，系統(tǒng)失去流量計(jì)工作正常的檢測開關(guān)量信號，中斷壓機(jī)運(yùn)行條件，設(shè)備停止工作，防止離合器意外磨損。

2 故障原因分析

濕式離合器液壓站采用釬焊板式換熱器，它是將泵站高溫油與冷卻水經(jīng)換熱器進(jìn)行對流熱交換，轉(zhuǎn)化為冷卻油輸送給離合器使用，從而保證離合器內(nèi)部保持較低油溫。根據(jù)傳熱速率方程Q=KSΔtm。其中，Q 為傳熱速率，K 為傳熱系數(shù)，S 為傳熱面積，Δtm為平均溫度差。

由上式可見，傳熱的強(qiáng)化途徑包括3 個(gè)方面：①增大換熱面積S；②增大平均溫度差Δtm；③增大總傳熱系數(shù)K。

分析比較3 種傳熱的強(qiáng)化途徑：

（1）增大平均溫度差Δtm。平均溫度差的大小主要取決于兩流體的溫度條件，而流體的溫度一般為生產(chǎn)工藝條件所規(guī)定，因此，Δtm的可變動(dòng)范圍是有限的。當(dāng)換熱器中冷，熱流體均變溫時(shí)，換型時(shí)要考慮逆流操作可獲得較大的平均溫度差。

（2）增大換熱面積S。對于2400T 壓力機(jī)而言，現(xiàn)有換熱器傳熱面積偏小，換型時(shí)應(yīng)考慮從提高換熱器內(nèi)部板片間結(jié)構(gòu)緊湊性方面來考慮，使換熱設(shè)備單位體積內(nèi)能提供較大的換熱面積。

（3）增大總傳熱系數(shù)K。K 值的可調(diào)性較強(qiáng)，故增大傳熱系數(shù)K 是強(qiáng)化傳熱的最有效途徑，廣泛用于換熱器的設(shè)計(jì)和操作中。傳熱系數(shù)K 的計(jì)算公式為：

圖3 濕式離合器液壓泵站組成及原理

由上式可見，要提高K 值，就必須減小各項(xiàng)熱阻，尤其應(yīng)減小對K 值起著控制作用的熱阻。減小熱阻的方法有：①加大流速，增強(qiáng)流體的湍流程度，減小傳熱邊界層中滯流內(nèi)層厚度，以利于減小對流傳熱的分熱阻，提高對流傳熱系數(shù)?？赏ㄟ^改變板換內(nèi)部波紋構(gòu)造獲得；②防止結(jié)垢和及時(shí)地清除垢層，以減少污垢熱阻。

3 項(xiàng)目實(shí)施

3.1 釬焊板式換熱器

（1）釬焊板式換熱器的型號表示方法如圖4 所示。

圖4 釬焊板式換熱器的型號

（2）換熱器的通道。理論上，一臺換熱器可以混用不同類型的流道，例如H 型（圖5）。但是對于有相變的情況，這會(huì)導(dǎo)致第一H 流道和最后一個(gè)M 流道之間介質(zhì)的分配失調(diào)，因此在各類制冷釬焊板式換熱器中不予采用。不同類型的通道及特性見表1。

圖5 板片通道H—M—L

3.2 新舊選型對比

（1）改造前。原冷卻系統(tǒng)采用熱交換器型號為B3-095B-64-3.0-L，換熱面積為5.89 m2，板片數(shù)64 片，由型號可知板片通道為L 形，即雙向銳角人字板型，這種結(jié)構(gòu)阻力小、傳熱系數(shù)低。

（2）改造后。熱交換器型號為B3-095-76-3.0-H，換熱面積為7.03 m2，板片數(shù)76 片，該換型產(chǎn)品板片通道為H 形，即雙向鈍角人字板形，這種結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)高、阻力大（表2）。

表2 相關(guān)參數(shù)對比分析

由相關(guān)參數(shù)對比分析表1可以看出，通過換型改造，板式換熱器在外形尺寸變化不大的情況下，換熱面積增大了1.14 m2，換熱效率有了明顯提升，換型后的換熱器板片數(shù)較原結(jié)構(gòu)增加了12 片，由于新型換熱器采用超薄高分子材料，安裝高度較原來僅增加了5 mm，小組人員根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況研究安裝改造方案，確定接口流向，并對接口及固定支座進(jìn)行匹配性改造。

表1 不同類型通道的定義特點(diǎn)及示例

4 結(jié)論

通過對2400T 壓力機(jī)液壓泵站板式換熱器換型升級改造，濕式離合器油溫由原來60 ℃以上（現(xiàn)場實(shí)測61.4 ℃）報(bào)警溫度控制在30～50 ℃正常范圍，高溫期間記錄泵站溫度開關(guān)顯示油溫不超過41.5 ℃，改造后泵站高油溫報(bào)警故障消除，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，保障夏季高溫線首重點(diǎn)設(shè)備開動(dòng)率，達(dá)到預(yù)期改造目標(biāo)。

換熱器作為控制壓力機(jī)濕式離合器液壓系統(tǒng)油溫的重要熱交換元件，其換熱效率與壓力機(jī)公稱噸位及其加工能力匹配性至關(guān)重要，選型時(shí)必須避免“小馬拉大車”的隱患。選型設(shè)計(jì)時(shí)既要符合換熱器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，還必須滿足壓力機(jī)自身的使用要求。