龍?zhí)?劉曉南 北京建筑工程學(xué)院 100044

仿真實(shí)驗(yàn)：良好散熱型液壓油箱及工況監(jiān)控研究

龍?zhí)?劉曉南 北京建筑工程學(xué)院 100044

hydraulic system; hydraulic source; hydraulic oil temperature; monitoring system

引言

液壓系統(tǒng)，作為一種動(dòng)力傳動(dòng)與控制系統(tǒng)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備[1]。但是，由于液壓系統(tǒng)，特別是高速液壓控制系統(tǒng)，存在較大功率損失，功率損失變成熱量使液壓油溫度升高。而液壓油溫度升高，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)性能變差，甚至不能正常工作。 根據(jù)檢索到的文獻(xiàn)看[2]，液壓系統(tǒng)故障和非正常停機(jī)，80%以上是因?yàn)橐簤河蜏囟炔徽Ｋ隆?/p>

油溫過高會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。這些影響主要有：(1）油溫過高，油液粘度降低，液壓油可壓縮性變差，影響液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速，對(duì)于控制系統(tǒng)而言，降低控制精度和快速性，對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)而言，同樣降低工作速度；(2）油溫過高，會(huì)使油液的潤(rùn)滑性能變壞，加劇運(yùn)動(dòng)副元件的磨損；(3）油溫過高，加速油液氧化變質(zhì)，并析出瀝青物質(zhì)，降低液壓油的使用壽命。析出物堵塞阻尼小孔和縫隙式閥口，導(dǎo)致壓力閥卡死而不能動(dòng)作、金屬管路伸長(zhǎng)而彎典，甚至破裂等。

目前，解決液壓系統(tǒng)溫升問題的技術(shù)，一般是利用油箱殼體表面自然散熱的方法。利用油箱殼體自然散熱，油箱體積往往偏大.油箱容積通常要達(dá)到250l以上[2]。

1.良好散熱型油箱箱體結(jié)構(gòu)總體構(gòu)想

1.1 傳統(tǒng)油箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)油箱通常采用油箱殼體自然散熱的方式，由于油箱采取整體式，散熱面積較小，所以液壓油溫度較高。為降低其溫度，因此油箱體積往往偏大。

本設(shè)計(jì)要求油箱具有良好的自然散熱能力并且可以應(yīng)用于移動(dòng)式設(shè)備，因此需要突破常規(guī)設(shè)計(jì)思路，采用新結(jié)構(gòu)油箱，盡可能增大油箱自然散熱面積。

1.2 單體組合式散熱油箱結(jié)構(gòu)的總體方案

建筑暖通系統(tǒng)，為了增加傳熱面積，提高傳熱效率，廣泛采用板翅式散熱器。如圖1和2所示。本研究，采用板翅狀薄鋼板，焊接成形為油箱模塊單體，然后配裝成具有良好散熱性能的液壓系統(tǒng)用油箱。這種油箱的設(shè)計(jì)有兩種好處，一是避免油箱體積過大，二是避免配置復(fù)雜獨(dú)立的冷卻裝置。如需要，可以在支撐油箱的臺(tái)架上，配置液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)風(fēng)扇對(duì)油箱進(jìn)行冷卻。為了增大油箱的通風(fēng)量,增強(qiáng)油箱散熱能力以及實(shí)現(xiàn)油箱單體體整體化，在底部安裝風(fēng)扇，用臺(tái)架支撐風(fēng)扇和油箱。

圖1 風(fēng)扇設(shè)計(jì) 圖2總體設(shè)計(jì)

2.散熱需求分析

2.1 散熱要求具體分析

當(dāng)液壓油溫度到達(dá)一定值時(shí)，需要可以使油溫保持在適當(dāng)溫度范圍的油箱殼體散熱。采用LMTD法計(jì)算油箱的散熱面積。

LMTD法是基于傳熱公式

式中：Φ—液壓油需要散發(fā)的熱量；

K—傳熱系數(shù)；

A—油箱散熱面積；

Δtm—空氣平均溫差。

2.2 油箱單體散熱面積的計(jì)算

設(shè)計(jì)要求：液壓油的進(jìn)口溫度為80℃， 出口溫度為60℃；液壓油的流量為30l/min，空氣流量為0.377m3/s；油箱頂部空氣溫度為30℃，油箱頂部空氣溫度為60℃。

在相同儲(chǔ)油量的情況下，本課題的主要目的是盡量減小油箱尺寸，并且盡可能的提高油箱自身的散熱能力。板翅式散熱片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

假設(shè)油箱的長(zhǎng)寬高分別為600mm,350mm和400mm?？梢杂蓚鳠釋W(xué)公式計(jì)算出Φ、tm、K、S。

圖3 板翅片示意圖

式中：S－散熱面積,m2

tm－ 平均溫度, ℃

Φ2——空氣需要吸收的熱量. J.

式中：t1—油箱進(jìn)口溫度,℃t2—油箱出口溫度, ℃

t3—油箱底部溫度, ℃

t4—油箱頂部溫度, ℃式中：q—空氣流量, m3/s c— 空氣散熱能力. Jkg-1

式中：h1—傳熱系數(shù) m2k

h1—空氣和油箱間的傳熱系數(shù) m2k

Rf—鑄鐵散熱系數(shù)

In this equation:

λ— 散熱系數(shù)

De— 相對(duì)直徑.

K和S可由式（5）算出, K等于18.033W/(m2k）, S 等于 3.584m2.

式中：H－油箱高度，

n－油箱單元一側(cè)齒數(shù).

散熱面積S等于S1;散熱面積是3.6m2,所以板翅式油箱的容積是84L。

如果使用普通油箱（油箱表面是平坦的），散熱面積S2=2.4m2

散熱面積S1比S2多出50%，因此在相同散熱面積條件下，板翅式油箱可以節(jié)省很多體積。

3.良好散熱型油箱結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)要求油箱可以應(yīng)用于移動(dòng)式設(shè)備，體積應(yīng)盡量??；此外為了增大油箱的散熱面積，我們打破常規(guī)，設(shè)計(jì)了由板翅式分體箱串聯(lián)形成的油箱。

油箱模塊單體之間連接結(jié)構(gòu)與暖氣片連接結(jié)構(gòu)相似，具體連接情況如圖4所示。

圖4 油箱單體連接示意圖

油箱單體的進(jìn)油孔和出油孔內(nèi)部設(shè)制有內(nèi)螺紋，油箱單體之間有內(nèi)螺紋相配套的空心螺栓（使油液流通）連接；此空心螺栓用油絲連接，并且相鄰的油箱單體之間螺紋的旋向相反。油箱單體之間的進(jìn)油孔，出油孔和空心螺栓之間的間隙由耐油橡膠圈密封。

4.監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

油箱監(jiān)控系統(tǒng)包括對(duì)油溫、油位、油壓、流量、油質(zhì)，液位以及油箱內(nèi)氣壓和氣體濕度等物理參數(shù)的監(jiān)控，該監(jiān)控系統(tǒng)主要是由給定原件（液壓泵）、控制器（單片機(jī)）、放大元件（功率放大器）、控制元件（液壓比例伺服閥）、執(zhí)行元件（液壓馬達(dá)）、被控對(duì)象（風(fēng)扇）、反饋元件（溫度傳感器、流量傳感器、液位傳感器、壓力傳感器）等構(gòu)成。

控制器(單片機(jī)）：選用MC9S12XEQ-512型單片機(jī)。此類型的單片機(jī)由29路獨(dú)立的數(shù)字I/O接口，10位A/D轉(zhuǎn)換器，8個(gè)可編程的PWM通道，并且與控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）相連接進(jìn)行通信。各種信息可以通過CAN總線及時(shí)傳給上位機(jī)和顯示器。

控制元件（液壓比例伺服閥）：選用QDY系列液壓比例伺服閥。

執(zhí)行元件（液壓馬達(dá)）：選用A2F系列液壓馬達(dá)。

溫度傳感器：選用PT100熱電阻型溫度傳感器。

壓力傳感器：選用CFBLS型壓力傳感器。

角位移傳感器：采用REP光電編碼器角位移傳感器，通過對(duì)光電編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，來測(cè)定角速度的大小。

油質(zhì)傳感器：選用GON1型聲波傳感器，通過聲波傳感器以獲得與液壓油相關(guān)的粘度和腐蝕性數(shù)據(jù)，可以確定液壓油的油質(zhì)。

流量傳感器：選用CNT型超聲波流量傳感器，通過接收到的超聲波檢測(cè)流體速度，從而將速度轉(zhuǎn)化成為流量。

5.仿真實(shí)驗(yàn)

5.1 監(jiān)控電路介紹

本文是關(guān)于監(jiān)控系統(tǒng)的閉合回路仿真。監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖5所示，控制框圖如圖6所示。

5.2 監(jiān)控系統(tǒng)模型研究

5.2.1 電液比例伺服閥的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)電液比例伺服閥是液壓油固有頻率的5至10倍時(shí)，由于此時(shí)比例伺服閥的頻率很大，所以可以將其視為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為：

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

圖7

模擬電路如圖7所示。

Kp，Ki，Kd 分別為100，0.5，3。仿真曲線如圖8所示。

圖6 控制框圖

5.2.2 液壓馬達(dá)數(shù)學(xué)模型

由上面輸出曲線可知：此仿真性能良好，穩(wěn)態(tài)誤差小，響應(yīng)時(shí)間較快，無振蕩。

圖7

6.結(jié)論

6.1 首先通過調(diào)研了解目前液壓油源種類和技術(shù)現(xiàn)狀，分析其技術(shù)存在的缺陷，然后提出良好散熱型新型油箱及工況監(jiān)控的總體技術(shù)方案。

6.2 根據(jù)規(guī)定的功率，對(duì)良好散熱型新型油箱自然散熱能力進(jìn)行計(jì)算與分析，以確定散熱面積，從而具體設(shè)計(jì)殼體結(jié)構(gòu)。

6.3 對(duì)數(shù)字采集與顯示系統(tǒng)，按設(shè)計(jì)要求，選擇具有A/D功能的單片機(jī)、顯示器及傳感器等，即可構(gòu)成所需要的監(jiān)控系統(tǒng)，形成總體配置方案。

代入公式可得：

5.2.3 測(cè)速反饋系數(shù)的選定

式中：U為電壓大小

ω為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

式中：Q為A/D.二進(jìn)制量。

5.3 監(jiān)控系統(tǒng)的仿真

利用MATLAB仿真?？梢赃_(dá)到通過改變實(shí)際流量的變化，從而控制油溫的改變，使油溫達(dá)到適宜的溫度。即輸出轉(zhuǎn)速n與油液溫度變化之間建立一定的關(guān)系。

由于液壓系統(tǒng)中有電液伺服閥（比例環(huán)節(jié)），功率放大器（比例環(huán)節(jié)），液壓馬達(dá)（三階環(huán)節(jié)）和外部干擾等因素的存在，并且液壓系統(tǒng)管道長(zhǎng)度

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High level oil temperature is one of the most important factories reasons for hydraulic system to breakdown. In order to improve ability of heat-radiation and control oil temperature within proper scope, new type oil tanks are required which are made up by plate-fin units. The analysis indicates that the new type oil tanks have a good natural ability of heat-radiation. To further enhance ability of heat-radiation, it should be fixed a fan in the bottom of the oil tanks, which can strengthen the ability of heat-radiation. With monitoring equipment, monitoring system can monitor the parameters of oil tanks in real time, and control the oil temperature within proper scope. Simulation experiments tell us some significant data.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.086