掘錨機(jī)冷卻系統(tǒng)及熱平衡分析

左 奪 黃 東

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

0 引言

掘錨機(jī)施工環(huán)境惡劣、通風(fēng)差，此外，由于受空間限制，掘錨機(jī)油箱體積設(shè)計(jì)緊湊，因此液壓系統(tǒng)自然散熱能力有限。正常工況下，掘進(jìn)設(shè)備在完成掘進(jìn)1 m～3 m后，需要停機(jī)支護(hù)，在此期間，液壓系統(tǒng)會(huì)自然散發(fā)部分熱量，以降低液壓油溫，保持油溫在正常范圍內(nèi)。掘錨機(jī)在停止掘進(jìn)作業(yè)后，液壓系統(tǒng)仍需要持續(xù)工作，為錨護(hù)系統(tǒng)提供動(dòng)力。掘錨機(jī)1個(gè)班次內(nèi)連續(xù)工作，往往會(huì)導(dǎo)致液壓油出現(xiàn)高溫。掘進(jìn)設(shè)備液壓油最適工作溫度區(qū)間為35 ℃～65 ℃，通常允許的油溫上限為 70℃。高溫工作會(huì)導(dǎo)致油液黏度降低，進(jìn)而影響掘進(jìn)設(shè)備的作業(yè)能力。因此將掘進(jìn)設(shè)備控制在最適溫度區(qū)間內(nèi)，并維持系統(tǒng)熱平衡，可以提高液壓系統(tǒng)的元件壽命以及整機(jī)工作效率。

1 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)能量傳遞路徑

液壓系統(tǒng)作為掘錨機(jī)的動(dòng)力源，為掘錨機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作提供液壓動(dòng)力。當(dāng)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，液壓系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵，將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，實(shí)現(xiàn)能量的一次轉(zhuǎn)換。液壓系統(tǒng)輸出的高壓油進(jìn)入多路閥，先導(dǎo)閥會(huì)分別控制其以不同的壓力和流量進(jìn)入各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)和液壓油缸等元件完成回轉(zhuǎn)動(dòng)作和直線動(dòng)作。在此期間，液壓系統(tǒng)將液壓能進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)行走、星輪裝載收料、運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)輸送、截割部升降回轉(zhuǎn)、錨護(hù)進(jìn)行鉆孔作業(yè)等動(dòng)作。然后完成能量傳遞的液壓油返回，經(jīng)過冷卻器降溫、過濾器過濾后，最終返回液壓油箱準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)循環(huán)路徑示意圖如圖1所示。

圖1 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)循環(huán)路徑示意圖

能量在傳遞的過程中必然存在一定的功率損耗，包括液壓系統(tǒng)泵和馬達(dá)的容積效率損失、多路閥的溢流損失、液壓管路的沿程損失等。液壓系統(tǒng)在能量傳遞過程中的功率損失以熱能的方式進(jìn)入系統(tǒng)，其中僅有一小部分熱量散失到周圍環(huán)境中，其他大部分熱能會(huì)以高溫液壓油的方式存在于液壓系統(tǒng)中。掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)能量傳遞如圖2所示。

圖2 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)能量傳遞示意圖

2 液壓油產(chǎn)生高溫的原因

由于能量傳遞效率的存在，液壓系統(tǒng)不可避免地會(huì)產(chǎn)生功率損失。因此如果出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷或者現(xiàn)場(chǎng)操作不當(dāng)?shù)那闆r，就會(huì)導(dǎo)致功率損失加劇，液壓油溫急劇上升。

2.1 液壓油品牌號(hào)選擇不合適

在選用液壓油品時(shí)，應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)性能和使用環(huán)境特點(diǎn)，匹配相應(yīng)種類和牌號(hào)的油品。油品黏度等級(jí)和種類不滿足使用工況或者將不同牌號(hào)、不同廠商油品混用時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致油液運(yùn)動(dòng)黏度不匹配。 如果運(yùn)動(dòng)黏度過高，液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)阻力會(huì)隨之增加，功率損失也會(huì)加??；如果運(yùn)動(dòng)黏度過低，液壓系統(tǒng)的內(nèi)泄會(huì)增大，這2種情況都會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)油溫升高。

2.2 油液污染

掘進(jìn)設(shè)備施工環(huán)境惡劣，環(huán)境中充斥著粉塵和水，因此長(zhǎng)時(shí)間工作易使液壓系統(tǒng)易混入雜質(zhì)，油液受到污染后，在高壓作用下進(jìn)入液壓元件，會(huì)破壞配合面精度和粗糙度，使其間隙加大，泄漏劇增，導(dǎo)致油溫升高。此外，大量的雜質(zhì)和污物附著在過濾器濾芯上，也會(huì)增加系統(tǒng)阻力和功率損耗。

2.3 空氣混入液壓系統(tǒng)

當(dāng)有部分空氣混入液壓油后，其通常會(huì)在低壓區(qū)從油液中分離，產(chǎn)生氣泡。這些混有回油空氣的油液在進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)，環(huán)境中的高壓會(huì)使油液中的氣泡迅速爆破，在局部釋放大量熱量，導(dǎo)致系統(tǒng)油溫升高。

2.4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷

當(dāng)系統(tǒng)中選用的車液壓元件不能滿足系統(tǒng)壓力和流量需求時(shí)，在使用中會(huì)導(dǎo)致閥口油液高速通過，產(chǎn)生較大的壓力損失；液壓系統(tǒng)回路中設(shè)計(jì)有冗余的元件和管路，同樣會(huì)降低系統(tǒng)效率；液壓管路敷設(shè)不合理，會(huì)增大系統(tǒng)壓力損失；液壓系統(tǒng)油箱結(jié)構(gòu)不合理、散熱面積不足、體積小等都會(huì)導(dǎo)致油溫升高。

2.5 冷卻系統(tǒng)污染

采掘設(shè)備通常配備水冷式冷卻器，該冷卻器布置在油箱或者回路中，可對(duì)油液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。但由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，且水質(zhì)較差，因此冷卻器工作一段時(shí)間后，其散熱片和管路會(huì)附著雜質(zhì)，影響散熱和循環(huán)，其熱交換能力隨即降低，最終導(dǎo)致液壓系統(tǒng)溫度升高。

3 液壓系統(tǒng)高溫的危害

當(dāng)液壓系統(tǒng)油溫過高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下危害：液壓油液黏度降低，液壓系統(tǒng)泄漏量增大；液壓元件中存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副之間的潤(rùn)滑油膜變薄或者被破壞，導(dǎo)致元件運(yùn)動(dòng)阻力增大、磨損加劇，進(jìn)而影響元件使用壽命；橡膠密封件在高溫下會(huì)變形、變質(zhì)，導(dǎo)致密封老化、失效，從而造成系統(tǒng)泄漏；加速油液氧化，縮短油液使用壽命；高溫油液內(nèi)部的瀝青物質(zhì)還會(huì)被析出，堵塞多路閥孔道和閥口，導(dǎo)致流量壓力不穩(wěn)，控制失效。

4 液壓系統(tǒng)熱平衡分析

4.1 掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)發(fā)熱量計(jì)算

液壓系統(tǒng)發(fā)熱量的計(jì)算通常采用以下兩種方法，一種是通過液壓元件效率，直接計(jì)算其功率損耗，該方法可以直接估算出液壓元件產(chǎn)生的熱能，并可有針對(duì)性地采取改善措施，減少發(fā)熱量；另一種方法是針對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)，計(jì)算其輸入總功率和執(zhí)行元件最終的有效輸出功率的差值，估算液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能。

4.2 按液壓元件效率估算系統(tǒng)發(fā)熱功率

液壓泵和液壓馬達(dá)的泄漏會(huì)產(chǎn)生一部分熱量，其發(fā)熱功率H的計(jì)算如公式（1）所示。

式中：P—液壓油輸出總功率，P=pq/η；η—液壓油泵總效率，柱塞泵一般取值在 0.8～0.9，通?？扇?.85；p—液壓油泵實(shí)際輸出壓力值；q—液壓油泵實(shí)際流量。

多路閥的功率損失導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱的發(fā)熱功率H可按公式（2）計(jì)算。

式中：p—閥體壓降，多路閥一般取1.4 MPa；q—通過該閥的實(shí)際流量。

管道及其他因素導(dǎo)致的功率H為H=（0.03～0.05）P。

由于液壓系統(tǒng)管道暴露在外界環(huán)境中，自身可進(jìn)行自然散熱，造成的功率損失較小，因此該功率損失在進(jìn)行估算和計(jì)算時(shí)可按總功率的3%～5% 取值計(jì)算。

液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率總和H如公式（3）所示。

4.3 按液壓系統(tǒng)輸入總功率和系統(tǒng)輸出總功率差值核算發(fā)熱量

對(duì)液壓系統(tǒng)總體來說，其獲取的液壓能由電能轉(zhuǎn)化而來，最終輸出能量為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械能，則輸入能量和最終輸出能量的差值即可視為進(jìn)入系統(tǒng)的熱能。液壓系統(tǒng)發(fā)熱總功率H可按公式（4）估算。

式中：P—液壓油輸出總功率；P—液壓系統(tǒng)油泵輸入總功率，P=M·n /9549，M—泵站電機(jī)提供的輸入扭矩，n—泵站電機(jī)輸轉(zhuǎn)速；P—執(zhí)行元件的輸出功率；對(duì)于液壓缸，P=F·V/1000，F(xiàn)—液壓缸外負(fù)載，V—液壓缸運(yùn)動(dòng)速度。

掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)通常布置雙聯(lián)泵柱塞泵或三聯(lián)泵柱塞泵為系統(tǒng)供油，因此在計(jì)算熱功率時(shí)需要把多臺(tái)液壓泵功率疊加計(jì)算。

4.4 冷卻系統(tǒng)散熱功率核算

掘錨機(jī)在工作狀態(tài)下，液壓系統(tǒng)功率損耗產(chǎn)生的熱量，只有很少一部分以熱輻射的方式直接散入周圍環(huán)境，大部分熱量則進(jìn)入液壓油，隨系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)入油箱和系統(tǒng)通油部位。隨著液壓系統(tǒng)的持續(xù)工作，大量的回油熱能持續(xù)進(jìn)入液壓系統(tǒng)，此時(shí)，只有系統(tǒng)的散熱功率和發(fā)熱功率達(dá)到平衡，即令液壓系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定在某一溫度值，不再攀升，才能達(dá)到系統(tǒng)熱平衡。液壓系統(tǒng)中，熱量積累最多的部件為液壓油箱，即液壓油的容器，參與循環(huán)工作的油液最終都會(huì)返回液壓油箱，并帶回大量熱量。液壓油箱自身也具備一定的散熱能力。該文對(duì)JMH260掘錨機(jī)的散熱情況進(jìn)行了估算。JMH260掘錨機(jī)的油箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 掘錨機(jī)油箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

液壓油箱散熱能力與有效散熱面積有關(guān)，油箱散熱量H可按公式（5）估算。

式中：K—液壓油箱表面散熱系數(shù)，巷道通風(fēng)條件差，取K=10 W/（m·k）；t—液壓油箱內(nèi)平均油溫，℃；t—巷道環(huán)境溫度，℃；A—油箱散熱面積，其中A=A+A/2，A—油箱內(nèi)部直接接觸油液的部分面積；A—油箱內(nèi)部不接觸油液的部分面積。

由于不直接接觸油液的部分面積散熱能力減弱，在此，取非接觸面積的50%油箱總散熱面積的核算。

4.5 冷卻器選型計(jì)算

掘錨機(jī)由于受施工條件限制，因此其結(jié)構(gòu)緊湊，油箱體積有限。為保證其液壓系統(tǒng)能正常工作，需要外接冷卻器，將液壓系統(tǒng)溫度控制在最適工作范圍內(nèi)。掘錨機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)除液壓油箱會(huì)散失一部分熱量，其余熱量均被冷卻器帶走，以維持系統(tǒng)熱平衡。因?yàn)榈V井施工面供水充足，所以多采用水冷卻器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。影響水冷卻器冷卻效果的主要因素是冷卻器的換熱面積，下面對(duì)換熱面積進(jìn)行計(jì)算，如公式（6）所示。

式中：S—液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量，W；S—液壓系統(tǒng)自然散失熱量（管路系統(tǒng)和液壓油箱），W；A—水冷卻器有效換熱面積，m；K—冷卻器散熱系數(shù)，礦山機(jī)械多用大功率板式冷卻器，散熱系數(shù)取值范圍為450 W/（m·k）～600 W/（m·k）。T—換熱前后平均溫差，℃，可按公式（7）計(jì)算。

式中：T—液壓油進(jìn)口溫度，℃；T—液壓油出口溫度，℃；t—冷卻水進(jìn)口溫度，℃；t—冷卻水出口溫度，℃。

計(jì)算散熱面積時(shí)，需要考慮水中雜質(zhì)和污染物會(huì)附著在冷卻器內(nèi)部，影響熱傳遞，在選型時(shí)需要在散熱面積計(jì)算值的基礎(chǔ)上增大1.3倍左右。當(dāng)冷卻器達(dá)到熱平衡時(shí)，冷卻器散失的熱量約等于液壓系統(tǒng)功率損耗產(chǎn)生的熱量，冷卻器內(nèi)部的水冷卻吸收熱量和液壓油散失熱量達(dá)到平衡。

式中：C—液壓油比熱容，J/kg·℃，一般取值2000 J/kg·℃；C—冷卻水比熱容，J/kg·℃，一般取值4000 J/kg·℃；ρ—冷卻水密度，kg/m，一般取值1000kg/m；ρ—液壓油密度，kg/m，一般取值900kg/m；Q—冷卻水流量，m/s；Q—進(jìn)入冷卻器液壓油流量，m/s。

根據(jù)以上條件，可以估算水冷卻器需要的輸入水量。

5 冷卻系統(tǒng)模擬仿真

該文使用simulationX熱力學(xué)模塊對(duì)正常工作狀態(tài)下的掘錨機(jī)液壓油溫進(jìn)行分析，設(shè)定極限工作條件為掘錨機(jī)行走部、星輪轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)和第一運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)行，以上動(dòng)作都是由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下的液壓系統(tǒng)發(fā)熱量達(dá)到上限。取掘錨機(jī)工作環(huán)境溫度為15℃，油箱油液質(zhì)量m=1 000 kg，液壓油比熱為2 000 J/kg·℃，掘錨機(jī)設(shè)置了4組水冷卻器，散熱面積可達(dá) 21 m，散熱功率約60 kW，導(dǎo)熱系數(shù)140 W/（m·℃），按以上條件計(jì)算出的液壓系統(tǒng)熱量與時(shí)間曲線如圖4所示，熱量變化率與時(shí)間曲線如圖5所示。

根據(jù)圖4 可知，系統(tǒng)運(yùn)行前期，液壓系統(tǒng)發(fā)熱量隨時(shí)間增加而累積增加，呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。在后期，熱量值接近恒定，此時(shí)，系統(tǒng)到達(dá)熱平衡狀態(tài)。

根據(jù)圖5可知，液壓系統(tǒng)熱量變化率隨時(shí)間增長(zhǎng)呈遞減趨勢(shì)，并在后期接近0，不再變化，此時(shí)液壓系統(tǒng)到達(dá)熱平衡狀態(tài)。

在液壓系統(tǒng)運(yùn)行條件不變的情況下，重新設(shè)定冷卻器參數(shù)，給導(dǎo)熱系數(shù)140 W/（m·℃）設(shè)定3種散熱面積，即16m、21m、24m，并繪制3種條件下的溫度時(shí)間曲線，如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，在液壓系統(tǒng)冷卻器導(dǎo)熱系數(shù)相同的條件下，冷卻器有效散熱面積越大，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)所處的溫度越低。

在液壓系統(tǒng)運(yùn)行條件不變的情況下，重新設(shè)定冷卻器參數(shù)，散熱面積為21 m，分別設(shè)定導(dǎo)熱系數(shù)為120 W/（m·℃）、140 W/（m·℃）、160 W/（m·℃），并繪制3種條件下的溫度時(shí)間曲線，如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，在液壓系統(tǒng)冷卻器散熱面積相同的條件下，冷卻器導(dǎo)熱系數(shù)越大，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)所處的溫度越低。

圖4 液壓系統(tǒng)熱量與時(shí)間曲線

圖5 熱量變化率與時(shí)間曲線

6 結(jié)語

為了有效控制掘錨機(jī)液壓系統(tǒng)油溫，需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工況選擇合適的冷卻器選用冷卻面積大和導(dǎo)熱系數(shù)高的冷卻器可以有效降低系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)的溫度值，縮短達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時(shí)間；依據(jù)巷道開挖條件設(shè)定冷卻水量；優(yōu)化掘錨機(jī)油箱結(jié)構(gòu)、加大油箱散熱面積，可以改善液壓系統(tǒng)的散熱條件。

該文在JMH260掘錨機(jī)的設(shè)計(jì)中，將油箱設(shè)計(jì)為異形油箱，增大了容積和散熱面積。通過系統(tǒng)計(jì)算選用4組板式冷卻器，導(dǎo)熱系數(shù)為140 W/（m·℃），疊加散熱面積22 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在開機(jī)運(yùn)行60 min后，溫度接近恒定，平衡溫度約為60 ℃，處在液壓油最適工作溫度區(qū)間，可以滿足實(shí)際使用需求。

圖6 溫度時(shí)間曲線

圖7 溫度時(shí)間曲線