李增強(qiáng)

(西安鐵路局，陜西西安710054)

搗固車液壓系統(tǒng)輔助冷卻裝置的研制

李增強(qiáng)

(西安鐵路局，陜西西安710054)

針對(duì)搗固車液壓系統(tǒng)普遍存在的高溫問(wèn)題，采用氟利昂作為冷卻介質(zhì)，利用壓縮機(jī)制冷原理，研制出一種新型輔助冷卻裝置。本文介紹了該裝置的工作原理及其設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該冷卻裝置性能穩(wěn)定，能夠有效延緩液壓油溫度升高速度，提高了作業(yè)效率，滿足搗固車使用要求。

搗固車 液壓油 高溫 冷卻

搗固車是目前鐵道部門應(yīng)用最廣的一種大型養(yǎng)路機(jī)械，各種車型現(xiàn)已在鐵路的新線建設(shè)、舊線大修和運(yùn)營(yíng)路線的維修作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。搗固車液壓系統(tǒng)的高溫問(wèn)題嚴(yán)重且廣泛。高溫是一種惡性循環(huán)故障，對(duì)液壓系統(tǒng)具有總體性損害，溫度升高導(dǎo)致液壓油黏度下降，黏度下降導(dǎo)致容積效率降低，而容積效率降低又導(dǎo)致油溫進(jìn)一步升高，形成惡性循環(huán)。高溫改變了所有液壓元件內(nèi)部的正常配合狀態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài)，加速了橡塑密封件的老化和變形，也會(huì)加速液壓油的氧化變質(zhì)，使精密液壓元件(如伺服閥和比例閥等)不能正常工作［1-2］。

高溫使得作業(yè)效率大大降低，在開(kāi)天窗作業(yè)的時(shí)間內(nèi)不能完成規(guī)定的任務(wù)，嚴(yán)重時(shí)被迫停機(jī)降溫或引發(fā)系統(tǒng)故障，浪費(fèi)寶貴的天窗時(shí)間。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年高溫季節(jié)時(shí)西安局、上海局等的多個(gè)DC-32，DCL-32，DWL-48搗固車曾先后多次出現(xiàn)液壓系統(tǒng)溫度超限，被迫停機(jī)降溫，嚴(yán)重影響了作業(yè)進(jìn)度。因此，解決搗固車液壓系統(tǒng)的高溫問(wèn)題具有重要的實(shí)際意義。

1 搗固車液壓系統(tǒng)高溫的原因

引起液壓系統(tǒng)溫升過(guò)高的主要原因有油箱散熱面積不夠、未安裝油冷卻裝置或冷卻裝置容量過(guò)小、高壓溢流發(fā)熱、卸荷回路出現(xiàn)故障、沿程壓力損失大、元件質(zhì)量差、配合件的配合間隙太小、作業(yè)環(huán)境溫度高、油液的黏度選擇不當(dāng)?shù)龋?-4］，很多情況下是多種原因并存。

目前，國(guó)內(nèi)搗固車的種類有DCL-32，DC-32等多種型號(hào)。本文以高溫問(wèn)題比較突出的DCL-32型搗固車為例進(jìn)行研究。DCL-32型搗固車液壓系統(tǒng)采用多泵、多回路系統(tǒng)。它有三臺(tái)雙連泵和一臺(tái)三連泵，組成三個(gè)獨(dú)立的油泵—油馬達(dá)回路和三個(gè)不同壓力流量的油泵—蓄能器—油缸回路［5］，充分利用了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。這些執(zhí)行元件有獨(dú)立動(dòng)作和復(fù)合動(dòng)作。

DCL-32型搗固車在作業(yè)時(shí)屬全液壓驅(qū)動(dòng)，它的全部作業(yè)機(jī)構(gòu)由8個(gè)葉片泵提供油源，主要的執(zhí)行元件為葉片馬達(dá)和擺線馬達(dá)。另有不少執(zhí)行元件為油缸，但其所需功率僅為液壓系統(tǒng)功率的1/3。由于葉片泵、葉片馬達(dá)和擺線馬達(dá)的效率較低(一般不大于0.92)，故泵和馬達(dá)的總效率在85%以下，如果考慮液壓閥的局部損失和管路的沿程壓力損失等，則液壓系統(tǒng)的總效率在80%左右。DCL-32型搗固車的柴油機(jī)功率為348 kW，作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。參照有關(guān)資料計(jì)算可知［2］，液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率為60 kW，而通過(guò)油箱外壁和液壓管路兩大部位的散熱功率僅為29.4 kW，另外30.6 kW的熱量將使液壓油溫度快速升高。

DCL-32型搗固車液壓系統(tǒng)冷卻器的冷卻功率約為12 kW，只有實(shí)際發(fā)熱功率的36%。其余18.6 kW的發(fā)熱功率將使液壓油溫度升高，經(jīng)計(jì)算會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工作時(shí)油液的溫升超過(guò)40℃［6］。由于搗固車的使用環(huán)境比較惡劣，尤其南方大部分地區(qū)，普遍存在夏天環(huán)境溫度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，很多時(shí)候地面溫度超過(guò)40℃，此時(shí)搗固車作業(yè)時(shí)液壓油的溫度會(huì)超過(guò)上限(80℃)，從而導(dǎo)致高溫問(wèn)題普遍存在。

2 冷卻裝置設(shè)計(jì)

2.1 冷卻功率確定

結(jié)合DCL-32型搗固車現(xiàn)有冷卻裝置和冷卻方式，為充分利用搗固車上現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組的富余電量，最大限度地提高設(shè)備使用效率，降低使用成本，采取在原冷卻裝置回路加裝新冷卻裝置的方式進(jìn)行冷卻［7］。如圖1所示，將原冷卻器出油口作為新冷卻裝置取油口，將原冷卻器出油口通過(guò)液壓管和新冷卻裝置進(jìn)油口相連，新冷卻裝置出油口通過(guò)液壓管回油箱?？紤]到DCL-32型搗固車原有發(fā)電機(jī)組功率富余量，冷卻裝置額定冷卻功率取6.4 kW，進(jìn)油口液壓油壓力≤3 MPa，液壓油流量≤120 L/min。

圖1 新冷卻裝置取油口原理

發(fā)熱功率H和油液溫升ΔT之間存在如下關(guān)系

式中:C為液壓油的當(dāng)量熱容量，礦物油取1.88 kJ/(kg·K);t為升溫時(shí)間，min，DCL-32型搗固車取120 min(作業(yè)時(shí)間);P為液壓油密度，礦物油為0.915 kg/L;V為油箱容積，DCL-32型搗固車取1 600 L。

當(dāng)輔助冷卻裝置工作時(shí)，液壓系統(tǒng)冷卻功率可達(dá)18.4 kW，使油液升溫功率為12.2 kW，則連續(xù)工作2 h后，系統(tǒng)溫升為

當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時(shí)，液壓油的溫度為80℃，基本能夠保證系統(tǒng)正常工作。

2.2 冷卻裝置冷卻介質(zhì)選擇

由于空氣溫度較高時(shí)，空氣溫度與油液適宜工作溫度相當(dāng)，故采取風(fēng)冷方式時(shí)冷卻效果將大打折扣［8-9］，而冷卻風(fēng)扇又受安裝空間的影響，不能做到無(wú)限制大，故應(yīng)采取其他冷卻介質(zhì)如水等。由于車上沒(méi)有循環(huán)冷卻水，故采取氟利昂作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。

2.3 系統(tǒng)工作原理

1)制冷系統(tǒng)工作原理

冷卻裝置制冷系統(tǒng)所使用的介質(zhì)以氟利昂作為制冷劑，采用密封蒸氣壓制式制冷。

制冷系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后的高溫高壓制冷劑蒸氣，經(jīng)過(guò)高壓管路進(jìn)入冷凝器冷卻，以液態(tài)和液氣混合的形式進(jìn)入冷凝器冷卻，軸流式風(fēng)機(jī)將被冷凝器加熱的熱空氣吹到車外大氣中。以液態(tài)和液氣混合的形式進(jìn)入貯液干燥過(guò)濾器，濾去雜質(zhì)，除去水分。高溫高壓的液體制冷劑經(jīng)膨脹閥減壓節(jié)流，以霧狀進(jìn)入到蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，將液壓油冷卻器的熱量帶走。吸熱后的制冷劑變成低壓蒸氣，被重新吸回壓縮機(jī)進(jìn)行加壓。如此循環(huán)，制冷劑不斷吸收液壓油內(nèi)的熱量使液壓油降溫?？諝庵兴趾臀m，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器降溫至露點(diǎn)使水分析出，凝結(jié)在蒸發(fā)器上，連同附著于蒸發(fā)器管片的微塵，流入排水管并排出車外，保證了空氣的干燥清潔［10］。

2)系統(tǒng)換熱原理

冷卻裝置的制冷劑在制冷壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器等部件組成的封閉系統(tǒng)中循環(huán)。液壓油通過(guò)蒸發(fā)器得到冷卻，制冷系統(tǒng)連續(xù)工作，從而達(dá)到液壓油冷卻降溫的目的。

圖2 冷卻裝置工作原理

3 裝車試驗(yàn)

3.1 安裝位置

冷卻裝置通過(guò)三級(jí)減震裝置固定在搗固車頂部，節(jié)省了車體內(nèi)部安裝空間，出油管路串接在液壓系統(tǒng)回油管路中，裝拆方便，如圖3、圖4所示。

圖3 冷卻裝置安裝側(cè)視圖

圖4 冷卻裝置安裝俯視圖

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取7組試驗(yàn)樣本進(jìn)行分析，其中3組為冷卻裝置關(guān)閉的數(shù)據(jù)，4組為冷卻裝置開(kāi)啟的數(shù)據(jù)(包含1組隧道內(nèi)作業(yè)數(shù)據(jù))。分別將3組制冷開(kāi)啟和制冷關(guān)閉的測(cè)試數(shù)據(jù)加權(quán)平均，按照作業(yè)時(shí)間與溫度變化繪制曲線，如圖5所示?？梢?jiàn)，冷卻裝置工作時(shí)延緩了溫度升高的速度。

圖5 數(shù)值模擬

采用模擬法可得出兩種情況下的模擬曲線，制冷開(kāi)啟時(shí)公式為y=0.284 9x+25.71，制冷關(guān)閉時(shí)公式為y=0.324 8x+27.27。通過(guò)計(jì)算可知，若環(huán)境溫度約20℃，理論上制冷開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)溫度達(dá)到70℃所需時(shí)間分別為155，132 min;若環(huán)境溫度約40℃，理論上制冷開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)溫度達(dá)到70℃所需時(shí)間分別為85，70 min。采用冷卻裝置對(duì)于液壓油溫度的升高起到了一定的延緩作用，連續(xù)工作時(shí)間可以延長(zhǎng)約20%。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用新研制的冷卻裝置具有以下特點(diǎn):

1)采用氟利昂作為冷卻介質(zhì)對(duì)搗固車液壓系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，制冷功率恒定。

2)能夠?qū)υ诟邷貝毫幼匀画h(huán)境下作業(yè)的搗固車液壓系統(tǒng)進(jìn)行有效地冷卻，不受天氣、塵土等環(huán)境因素影響，可有效延緩液壓油溫度升高速度，提高作業(yè)效率，降低配件消耗，消除安全隱患。

3)采用穩(wěn)定、可靠的溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了輔助冷卻裝置的智能控制，液壓油溫度超過(guò)40℃時(shí)，輔助冷卻裝置自動(dòng)啟動(dòng)。

4)冷卻裝置通過(guò)三級(jí)減震裝置固定在搗固車頂部，節(jié)省了車體內(nèi)部安裝空間，出油管路串接在液壓系統(tǒng)回油管路中，裝拆方便。

5)利用大機(jī)原有發(fā)電機(jī)組的富余電量，提高了原有設(shè)備的使用效率。

6)該冷卻裝置性能穩(wěn)定，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，符合鐵路要求，可以在各鐵路局既有搗固車、新造搗固車和其它大型養(yǎng)路機(jī)械上推廣應(yīng)用。

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(責(zé)任審編李付軍)

U216.6

B

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．37

1003-1995(2015)04-0144-03

2014-0-0;

2014-0-0

李增強(qiáng)(1971—)，男，陜西戶縣人，工程師。