鄒林江，陳 強(qiáng)，熊衛(wèi)民

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

平地機(jī)是基礎(chǔ)建設(shè)施工中擔(dān)負(fù)平整作業(yè)任務(wù)的重要設(shè)備。全液壓平地機(jī)集機(jī)電液于一體，具有傳動(dòng)環(huán)節(jié)少、作業(yè)效率高、易操作、無級(jí)變速、自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載能力強(qiáng)及便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊。全液壓平地機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、減速平衡箱及車輪組成（如圖1所示），與液力機(jī)械式平地機(jī)相比，省去了液力變矩器、變速箱及驅(qū)動(dòng)橋等機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。

圖1 全液壓平地機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

在由單泵并聯(lián)雙液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的全液壓平地機(jī)閉式系統(tǒng)中，閉式系統(tǒng)發(fā)熱問題成為平地機(jī)適應(yīng)各種復(fù)雜工況必須解決的問題。在跑車試驗(yàn)測(cè)試過程中，全液壓平地機(jī)閉式系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量占到了整個(gè)機(jī)器熱量的80%以上，故從理論上探討平地機(jī)閉式系統(tǒng)的發(fā)熱情況，對(duì)全液壓平地機(jī)正常行駛及作業(yè)有著十分重要的實(shí)際意義。

本文通過理論計(jì)算，分析全液壓平地機(jī)閉式驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)在各工況下的效率和散熱能力，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證為平地機(jī)適應(yīng)更高的環(huán)境溫度打好理論基礎(chǔ)。

1 全液壓平地機(jī)閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率理論分析

液壓驅(qū)動(dòng)工程車輛非常關(guān)心液壓元件的容積效率及機(jī)械效率，除效率可影響到系統(tǒng)功率的合理配置、散熱、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)外，對(duì)于作業(yè)指標(biāo)要求嚴(yán)格的機(jī)器，容積效率將影響到液壓系統(tǒng)的速度輸出和速度穩(wěn)定性，最終影響機(jī)器的作業(yè)質(zhì)量和整個(gè)系統(tǒng)的壽命。

泵馬達(dá)的效率一般針對(duì)不同使用條件由試驗(yàn)實(shí)測(cè)取得。而效率經(jīng)驗(yàn)理論表達(dá)式只適用于估計(jì)和分析在各種使用條件下的效率變化趨勢(shì)及影響因素，尋找最佳的使用條件，并將這種分析結(jié)構(gòu)用于泵馬達(dá)的參數(shù)匹配和使用過程的控制中，準(zhǔn)確的效率值必須通過試驗(yàn)取得。對(duì)泵馬達(dá)的經(jīng)驗(yàn)理論效率計(jì)算和泵馬達(dá)效率試驗(yàn)，可真正了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

全液壓平地機(jī)閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由單泵帶動(dòng)雙并聯(lián)馬達(dá)組成，其工作效率分析如下。

1.1 閉式泵效率分析

1.1.1 泵容積損失與容積效率

因液體的泄漏、壓縮等原因而損失的能量稱為容積損失。泵經(jīng)過容積損失后的實(shí)際輸出功率與泵的理論輸出功率之比，即為泵的容積效率[1]。

變量泵容積效率ηpv的經(jīng)驗(yàn)公式如下[2]：

由式（1）可以看出，泵的容積效率隨油液粘度和轉(zhuǎn)速的增加而增加，隨壓差的增加而減小。

1.1.2 泵機(jī)械損失與機(jī)械效率

泵的理論輸出功率與其實(shí)際輸入功率之比，即為泵的機(jī)械效率。

變量泵的機(jī)械效率ηpt經(jīng)驗(yàn)公式如下[2]：

泵的機(jī)械效率與零件間或零件和流體間的摩擦損失有關(guān)，當(dāng)摩擦損失加大時(shí)，同樣大小的理論輸出功率需要較大的輸入功率，故機(jī)械效率下降。當(dāng)工作液體的粘度加大、縫隙減小時(shí)，因液體摩擦和運(yùn)動(dòng)零件間的摩擦力增大，機(jī)械效率也會(huì)減小。

1.2 馬達(dá)效率分析

1.2.1 馬達(dá)容積損失與容積效率

馬達(dá)容積損失是指單位時(shí)間液壓馬達(dá)內(nèi)部各間隙的泄漏所引起的損耗量。液壓馬達(dá)的理論輸入流量與實(shí)際輸入流量之比，稱為馬達(dá)容積效率。

變量馬達(dá)的容積效率ηmV經(jīng)驗(yàn)公式如下：

顯然，其大小隨油液粘度及轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨馬達(dá)進(jìn)出口壓差的增加而減小。

1.2.2 馬達(dá)機(jī)械損失與機(jī)械效率

馬達(dá)機(jī)械損失是指各零件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)及流體與零件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦而產(chǎn)生的能量損失。馬達(dá)機(jī)械效率等于其運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)際輸出扭矩與理論扭矩的比值。

變量馬達(dá)的機(jī)械效率ηmt經(jīng)驗(yàn)公式如下：

以上各式中，Cs為層流泄漏系數(shù)，Cs＝0.8×10－9；Δp為進(jìn)出口壓差，Pa；μ為油液動(dòng)力粘度，Pa·s；np為泵轉(zhuǎn)速，r／min；nm為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r／min；β為排量比，β=V／Vmax；CV為層流阻力系數(shù)，CV＝0.2×106；Cf為機(jī)械阻力系數(shù)，Cf＝0.01；TC為與進(jìn)出口壓差和轉(zhuǎn)速無關(guān)的一定的扭矩?fù)p失，N·m；Vmax為泵全排量，m3／r。

顯然，ηmt隨油液粘度及轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨負(fù)載壓差的增加而增加。

1.3 閉式系統(tǒng)總效率

閉式泵、馬達(dá)容積效率和機(jī)械效率的乘積即為閉式系統(tǒng)總效率，即：

式中：v——平地機(jī)行走速度，km／h；

rd——?jiǎng)恿Π霃?，m；

i——傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比；

Vp——變量泵排量；

Vm——馬達(dá)排量。

結(jié)合式（1）～式（6）可繪制閉式系統(tǒng)理論效率曲線（如圖2所示）。

圖2 閉式系統(tǒng)理論效率曲線

由圖2可知：

a）閉式液壓系統(tǒng)總效率隨壓力的增大而增加；

b）閉式液壓系統(tǒng)總效率隨排量比的增大而增大；

c）馬達(dá)隨排量的增大，行駛速度減少，效率明顯提高。

從圖2中還可以看出，全液壓平地機(jī)最惡劣的工況為高速跑車，此時(shí)閉式系統(tǒng)效率最低，系統(tǒng)將產(chǎn)生大量的熱量。散熱系統(tǒng)能否滿足跑車工況要求，將直接影響液壓系統(tǒng)的可靠性和壽命。

2 閉式系統(tǒng)降溫計(jì)算

2.1 閉式系統(tǒng)散熱功率

因閉式泵、馬達(dá)的總效率引起的損失功率，即為閉式系統(tǒng)需要的散熱功率。

由上分析，可知當(dāng)閉式系統(tǒng)高速跑車工況時(shí)效率最低，其發(fā)熱量理論公式推斷如下[2,3]：

式中，L為系統(tǒng)的流量，L／min；Pt為發(fā)熱功率，kW。

2.2 閉式系統(tǒng)熱平衡計(jì)算

閉式系統(tǒng)的發(fā)熱量主要通過補(bǔ)油泵補(bǔ)入系統(tǒng)的涼油置換熱油而帶走。如果不計(jì)系統(tǒng)元器件的表面散熱和管道損失，則單位時(shí)間補(bǔ)入系統(tǒng)的涼油與系統(tǒng)內(nèi)熱油達(dá)到熱平衡所吸收的熱量即為系統(tǒng)的散熱功率。設(shè)系統(tǒng)補(bǔ)入的涼油與系統(tǒng)內(nèi)熱油溫差為Δt（單位為℃），則每秒補(bǔ)入的涼油吸收的熱量就是系統(tǒng)的散熱功率，即：

式中：ρ——液壓油密度，kg／L，取0.85；

l——補(bǔ)油泵泵流量，L／min；

Cp——液壓油比熱，kJ／（kg·°C），取2.15。

即

從式（11）可以看出，閉式系統(tǒng)內(nèi)油溫與油箱油溫之差與系統(tǒng)的工作壓力成正比關(guān)系。對(duì)于給定的閉式系統(tǒng)，其補(bǔ)油量和總效率在正常工作范圍內(nèi)基本不變，因此系統(tǒng)內(nèi)油溫與油箱溫差主要取決于系統(tǒng)的工作壓力，即系統(tǒng)的負(fù)荷。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述分析過程，某全液壓平地機(jī)的有關(guān)參數(shù)為：泵v＝140，補(bǔ)油泵v＝28.3cc／r，馬達(dá)v＝160，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2300r／min，傳動(dòng)比為33.726。在環(huán)境溫度23℃下進(jìn)行高速跑車試驗(yàn)，車速為30.2km／h，系統(tǒng)壓力175bar，根據(jù)式（1）～式（6），閉式系統(tǒng)效率計(jì)算結(jié)果為67%，系統(tǒng)發(fā)熱量為29.55kW。根據(jù)式（11），此時(shí)油箱溫度較閉式系統(tǒng)應(yīng)低16.77℃才能保持系統(tǒng)平衡。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 閉式系統(tǒng)油溫測(cè)試

由圖3可以看出，通過散熱器帶走熱量，平地機(jī)油箱同閉式系統(tǒng)泄油溫差平均值為22.4℃，高于理論計(jì)算值，同時(shí)泄油口溫度低于92℃，處于許可范圍之內(nèi)，說明平地機(jī)閉式液壓系統(tǒng)散熱系統(tǒng)可以滿足平地機(jī)的跑車工況，全液壓平地機(jī)散熱系統(tǒng)和補(bǔ)油系統(tǒng)能夠滿足平地機(jī)的各種工況需求。

4 結(jié)論

閉式系統(tǒng)溫升平衡情況是全液壓平地機(jī)所面對(duì)的最基本問題，合理的平衡溫度可以延長系統(tǒng)元件的使用壽命，提高系統(tǒng)的可靠性。實(shí)踐證明，本文探討的閉式系統(tǒng)熱平衡問題和方法可以有效評(píng)估閉式系統(tǒng)的散熱能力，對(duì)液壓閉式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]何存興.液壓元件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]姚懷新.行走機(jī)械液壓傳動(dòng)與控制[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]張志友.閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)部油溫的測(cè)算[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，1999，（3）：5.

[4]張士勇.閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)油溫分析[J].基建優(yōu)化，2003，（8）：53-54.