王永照1 張劍寒2 楊斌3 胡利年3

1.甘肅省建筑機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室有限公司 甘肅蘭州 730050

2.武漢理工大學(xué) 湖北武漢 430070

3.甘肅建投重工科技有限公司 甘肅蘭州 730000

1 前言

近年來(lái)，以洗掃車(chē)和掃路車(chē)為代表的市政保潔環(huán)衛(wèi)車(chē)輛正逐漸取代人工清掃，成為城市路面清潔的主力[1]。液壓傳動(dòng)因其易于控制調(diào)節(jié)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，易于安裝維修等優(yōu)點(diǎn)在洗掃車(chē)專(zhuān)用器械上廣泛應(yīng)用。然而，在洗掃車(chē)持續(xù)工作的工況下，液壓系統(tǒng)中存在的摩擦及壓力損失持續(xù)轉(zhuǎn)化成熱量，累積的熱量會(huì)造成液壓油溫度上升，長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)引發(fā)液壓系統(tǒng)運(yùn)行失常等問(wèn)題。

筆者通過(guò)分析液壓系統(tǒng)中各部件的產(chǎn)熱和散熱情況，以降低液壓系統(tǒng)的平衡溫度為目的，采用降低產(chǎn)熱源的功率，增大系統(tǒng)散熱功率的方法，對(duì)部件的選型進(jìn)行優(yōu)化分析[2]，從溫度控制方面，為洗掃車(chē)液壓系統(tǒng)部件選型提供參考。

2 理論分析

2.1 洗掃車(chē)液壓系統(tǒng)

清掃液壓系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

2.2 液壓系統(tǒng)能量損失分析

洗掃車(chē)清掃液壓系統(tǒng)工作時(shí)內(nèi)部能量損失主要有運(yùn)動(dòng)部件的功率損失、油液泄流帶來(lái)的能量損失和系統(tǒng)內(nèi)部的壓損等。

圖1 清掃液壓回路原理圖

2.2.1 管路及附件的功率損失

液壓油壓力損失按產(chǎn)生原理可分成兩種：局部壓力損失和沿程壓力損失。

局部壓力損失采用以下公式計(jì)算：

式中，ρ為流體密度，kg/m3；υ為流體速度，m/s；ξ為局部阻力系數(shù)。

局部阻力系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，則回路中局部阻力損失之和為：

計(jì)算沿程阻力損失時(shí)，通過(guò)臨界雷諾數(shù)來(lái)判斷流體狀態(tài)。對(duì)于圓形管道，計(jì)算式為：

式中，v為管道內(nèi)的平均流速，m/s；d為管道內(nèi)徑，m；γ為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

經(jīng)計(jì)算，管道當(dāng)中油液為層流狀態(tài),故沿程壓力損失由下式可得：

綜上，回路中的總壓力損失為：

管路中壓力損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，則產(chǎn)熱功率為：Pw=?pq。

2.2.2 液壓泵的功率損失

洗掃車(chē)油泵選用了齒輪泵，齒輪泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在機(jī)械損失和容積損失。

齒輪泵的功率損失計(jì)算式為[4]：

式中，Pe為齒輪泵總功率損失，W；ηv為齒輪泵容積效率；ηm為 齒輪泵機(jī)械效率；P為齒輪泵排油壓力，Pa；q為齒輪泵流量，m3/s。

2.3 液壓系統(tǒng)散熱分析

2.3.1 液壓系統(tǒng)散熱計(jì)算

在工業(yè)應(yīng)用中，有一種傳熱情況普遍存在，如圖2所示，壁面兩側(cè)熱量流動(dòng)包括對(duì)流換熱和熱傳導(dǎo)，熱力學(xué)中將這一流程稱作傳熱過(guò)程[5]。

圖2 傳熱過(guò)程示意圖

洗掃車(chē)清掃液壓系統(tǒng)中的熱量傳遞過(guò)程如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)中的熱量傳遞

2.3.1.1 油箱散熱

油箱散熱的主要方式為與外界環(huán)境的自然對(duì)流換熱和輻射換熱，自然對(duì)流換熱的散熱量計(jì)算式為：

式中，kw為液壓油箱傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為液壓油箱散熱表面積，m2。

2.3.1.2 液壓管路散熱

液壓管路散熱量的計(jì)算式為：

式中，h為管路的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；d為管路的直徑，m；l為管路長(zhǎng)度，m。

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，管路的傳熱系數(shù)取為3 0 W/（m2·K），計(jì)算得QS=9?T。

2.3.1.3 閥體、油泵和液壓馬達(dá)的散熱

閥體、油泵及液壓馬達(dá)等元件的散熱量計(jì)算可簡(jiǎn)化為以下公式：

式中，ki為液壓元件的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ai為液壓元件的表面散熱面積，m2；

2.3.1.4 系統(tǒng)輻射換熱驗(yàn)算

液壓系統(tǒng)內(nèi)總輻射換熱量計(jì)算式為：

式中，εv為壁面發(fā)射率，A為各部件散熱表面積之和，m2；T1為壁面溫度；T2為環(huán)境溫度。

2.3.2 液壓系統(tǒng)熱平衡計(jì)算

功率損失法常用于估算液壓系統(tǒng)的平衡油溫[6]。為研究極端情況，環(huán)境溫度設(shè)定為45℃，系統(tǒng)溫度達(dá)到平衡時(shí)，總產(chǎn)熱與總散熱功率相等，計(jì)算得?T=44℃，此時(shí)系統(tǒng)的溫度為99℃，遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的80℃。

3 基于AMESim熱力學(xué)模型建立

本文中利用AMESim對(duì)清掃液壓系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)仿真[7]。搭建模型如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)模型

兩個(gè)液壓馬達(dá)的連接關(guān)系為串聯(lián)，閥體組合控制左右盤(pán)刷馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，且仿真模擬工況為全掃工況，左右盤(pán)刷馬達(dá)以相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

仿真模型中的液壓油箱、液壓油泵模型的輸入?yún)?shù)如表1、2所示。

表1 液壓油箱模型參數(shù)設(shè)置

表2 液壓油泵模型參數(shù)設(shè)置

3.1 加裝散熱器仿真分析

首先對(duì)不加裝散熱器時(shí)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，初始的油溫與環(huán)境溫度均為45℃，然后依據(jù)仿真結(jié)果加裝合適的散熱器到系統(tǒng)中，再次仿真以驗(yàn)證散熱器效果。

3.2 液壓油泵和馬達(dá)的匹配分析

根據(jù)齒輪泵系列排量可確定清掃液壓系統(tǒng)內(nèi)可選流量為20 L/min，32 L/min，40 L/min，50 L/min，64 L/min，由流量可以匹配液壓馬達(dá)的型號(hào)，使得盤(pán)刷的工作轉(zhuǎn)速保持在規(guī)定范圍。仿真分析不同排量的齒輪泵對(duì)清掃液壓系統(tǒng)的熱平衡影響時(shí)，散熱器的散熱功率保持不變，液壓油初始油溫及環(huán)境溫度設(shè)置為45℃。

3.3 液壓油箱選型分析

為研究油箱容積對(duì)系統(tǒng)散熱的影響，在保持油箱的高度和液位高度不變的情況下，設(shè)置的油箱各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。

表3 油箱參數(shù)設(shè)置

4 仿真結(jié)果

依據(jù)建立起來(lái)的AMESim模型，從產(chǎn)熱部件和傳熱散熱部件兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化分析，以降低液壓系統(tǒng)對(duì)散熱器的功率需求[8-9]。

4.1 散熱器布置仿真分析

洗掃車(chē)夏季持續(xù)工作時(shí)，環(huán)境溫度將達(dá)到45℃，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為25 000 s。

油溫的變化曲線如圖5所示。初始的油溫均為45℃，油箱內(nèi)液壓油的溫度將最終穩(wěn)定在102℃，與理論計(jì)算油溫99℃基本一致，驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性。

圖5 油溫變化曲線

如圖6所示，持續(xù)工作約3 980 s時(shí)，油箱內(nèi)油液的溫度將達(dá)到限制80℃，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件的產(chǎn)熱及散熱情況進(jìn)行分析。

圖6 油箱內(nèi)液壓油溫仿真

圖7 產(chǎn)熱部件功率曲線

各部件的產(chǎn)熱功率隨時(shí)間變化如圖7所示，當(dāng)液壓油溫度上升至80℃，即持續(xù)工作時(shí)間為3 980 s時(shí)，可得到油泵等主要產(chǎn)熱部件的產(chǎn)熱功率，計(jì)算得此時(shí)液壓系統(tǒng)的總產(chǎn)熱功率為：P產(chǎn)=1 907 W。

圖8 散熱部件功率曲線

各部件的散熱功率隨時(shí)間變化如圖8所示，當(dāng)液壓油溫度上升至80℃，可得到各部件散熱功率。計(jì)算得此時(shí)各部件的散熱總功率為P散=944.5 W，其中油箱散熱功率為349 W，則產(chǎn)熱與散熱的功率差為：?P=P產(chǎn)-P=962.5 W。

因此，為了使系統(tǒng)中油液溫度維持在80℃以下，加裝散熱功率為962.5 W的散熱器，根據(jù)洗掃車(chē)實(shí)車(chē)布置，散熱器安裝在油箱回油口前，仿真模型如圖9所示。啟動(dòng)仿真，油液溫度變化如圖10所示。

圖9 散熱器模型及安裝位置

圖10 加裝散熱器油液溫度變化

仿真結(jié)果表明，油箱內(nèi)油液溫度降至80℃以下，因此，為液壓系統(tǒng)配置此功率的散熱器，可滿足整個(gè)液壓系統(tǒng)的散熱需求。

4.2 液壓油泵和馬達(dá)的匹配分析仿真結(jié)果

圖11 不同排量下系統(tǒng)溫度變化曲線

如圖11所示，其中排量為20 ml/r的液壓泵為洗掃車(chē)采用的油泵，在散熱器作用下，其平衡溫度維持在8 0℃以下，如果采用更大排量的油泵，則需要加大散熱器的散熱功率。泵的排量對(duì)系統(tǒng)溫度影響較大，從平衡溫度上看，液壓泵的排量越大，系統(tǒng)內(nèi)的平衡油溫越高，這是因?yàn)橛捅门帕吭龃髸?huì)導(dǎo)致流入管路中液壓油的流速和壓力增大，這將導(dǎo)致管路中的沿程阻力損失和流經(jīng)閥體時(shí)的壓力損失增加，使得系統(tǒng)的總產(chǎn)熱功率增大，使油溫升高。洗掃車(chē)清掃液壓系統(tǒng)與舉升液壓系統(tǒng)共用一個(gè)液壓泵，考慮到洗掃車(chē)罐體舉升過(guò)程的時(shí)間要求，泵的排量不宜過(guò)小，否則會(huì)導(dǎo)致舉升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響洗掃車(chē)的正常工作。從降低液壓系統(tǒng)平衡油溫的角度看，泵宜取較小排量。在實(shí)際的油泵選型中，應(yīng)綜合考量以上兩個(gè)因素。

4.3 液壓油箱選型分析仿真結(jié)果

在保持液壓系統(tǒng)其他部件參數(shù)不變的情況下，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 油箱容積對(duì)系統(tǒng)溫度影響曲線

從系統(tǒng)的平衡油溫上看，隨著油箱容積擴(kuò)大，達(dá)到平衡時(shí)的溫度降低，油箱容積增大50L，系統(tǒng)平衡溫度下降3～4℃，產(chǎn)生的降溫效果不明顯，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)探究油箱散熱功率與油液溫度的關(guān)系。

圖13 油箱散熱功率與溫度關(guān)系曲線

如圖13所示，隨著油液的溫度上升，散熱功率逐漸增大，并且油箱體積越大，散熱功率隨著液壓油溫度上升增長(zhǎng)越快，表明油箱體積對(duì)散熱功率影響較大。對(duì)于清掃液壓系統(tǒng)，增大油箱體積并沒(méi)有明顯降低平衡溫度，若加裝散熱器，使得液壓油的溫度保持在8 0℃以下，此時(shí)的溫差對(duì)不同容積油箱的散熱功率影響不明顯。在油溫為70℃時(shí)，三種油箱之間的散熱功率差約為50 W，對(duì)系統(tǒng)總散熱功率的影響較小，導(dǎo)致溫度未發(fā)生明顯下降。洗掃車(chē)夏季持續(xù)工作時(shí)，油箱外界環(huán)境溫度可達(dá)45℃，油液與外界的溫度差僅為25～35℃，較小溫度差使得增大油箱體積的降溫效果不明顯。

如圖12所示，增加油箱體積，不僅加大了油箱散熱的表面積，系統(tǒng)中循環(huán)的油量增加也會(huì)減緩系統(tǒng)溫度上升速度。在洗掃車(chē)實(shí)際工作時(shí)，由于水箱的容積有限，洗掃車(chē)可連續(xù)工作的時(shí)間約為3 h。按照清掃液壓系統(tǒng)工作3 h，自然冷卻1 h的工況分析采用不同油箱能達(dá)到的最高油溫。

圖14 運(yùn)行工況下液壓油溫度曲線

從圖14可以看出，較大容積的油箱內(nèi)液壓油溫度上升較緩慢，洗掃車(chē)連續(xù)工作3 h后，液壓油溫度尚未到達(dá)平衡溫度，此時(shí)90 L油箱與200 L油箱的溫差約10℃。在系統(tǒng)停止運(yùn)行的過(guò)程中，較大容積的油箱內(nèi)液壓油溫度下降緩慢。在此運(yùn)行工況下，系統(tǒng)中油溫的波動(dòng)變化較小。

4.4 液壓管路的選型分析仿真結(jié)果

液壓管路的產(chǎn)熱與局部和沿程壓力損失有關(guān)，根據(jù)計(jì)算公式可知管路的產(chǎn)熱量與管內(nèi)的流速有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)流量一定時(shí)，流速僅與管徑有關(guān)。根據(jù)液壓管路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，常用的管路規(guī)格如表4所示。

表4 管徑規(guī)格及公稱直徑

對(duì)以上不同規(guī)格的液壓管路進(jìn)行仿真分析，參數(shù)設(shè)置時(shí)，以管路的直徑作為變量，觀察平衡時(shí)的溫度變化情況。

圖15 不同管徑下系統(tǒng)溫度變化曲線

如圖15所示，其中DN8為洗掃車(chē)清掃液壓系統(tǒng)選用的管徑規(guī)格。選用的管徑規(guī)格越小，油液的平衡溫度越高，從產(chǎn)熱方面看，在流量不變的情況下，管徑越小，管道中油液油的流速越高，管道產(chǎn)生的沿程及局部阻力損失越大，產(chǎn)熱功率越高。此外，系統(tǒng)內(nèi)閥體的產(chǎn)熱原理與管道局部阻力損失產(chǎn)熱相同，因此閥體的產(chǎn)熱量也將增大。由于管道是液壓系統(tǒng)自身散熱的主要部件，因此從管道的散熱方面看，管徑越大，管壁與外界環(huán)境的換熱面積越大，管道自身散熱的功率越大。綜合以上兩點(diǎn)可知、大管徑的管路有利于降低系統(tǒng)的平衡油溫，從圖中DN6、DN8的平衡溫度可知，減小管徑對(duì)平衡溫度有著較大的影響；從DN10、DN15、DN20管徑的平衡溫度可知，當(dāng)管徑增大到某個(gè)尺寸時(shí)，管徑對(duì)系統(tǒng)平衡溫度的影響變?nèi)?，若繼續(xù)增大管徑，系統(tǒng)平衡溫度將不再發(fā)生明顯變化。根據(jù)以上分析作出洗掃車(chē)液壓系統(tǒng)平衡油溫與管徑變化的關(guān)系曲線，如圖16所示。

圖16 管徑與平衡溫度關(guān)系圖

從圖16中可以看出，如果將洗掃車(chē)上DN8的管路更換為DN10，系統(tǒng)平衡溫度下降約20℃，即采用更小功率的散熱器即可使油液的平衡溫度保持在80℃以下。在洗掃車(chē)液壓管路實(shí)車(chē)布置中，由于油箱與液壓馬達(dá)之間距離較長(zhǎng)，所以管路常平鋪在副車(chē)架與垃圾罐之間，空間狹小，不宜采用較大管徑的管路，此外使用大管徑管路也會(huì)帶來(lái)成本上升的問(wèn)題。綜合以上因素，選用DN10的管路將有效降低散熱器的功率，現(xiàn)對(duì)選用DN8與DN10管路時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)熱功率進(jìn)行對(duì)比分析。

如圖17a、b所示，管徑更換為DN10后，液壓油泵和液壓馬達(dá)的產(chǎn)熱功率均發(fā)生較明顯的變化，這是由于油液進(jìn)入管路時(shí)的壓力降低，在油泵的流量一定時(shí)，增大管徑使得油泵的負(fù)載減小，降低了輸出功率。并且壓力降低使得油液的泄流量減小，容積效率提高，泄流生熱量減小。通過(guò)管路進(jìn)入液壓馬達(dá)的液壓油壓力降低，所產(chǎn)生的壓力損失減小，同時(shí)液壓馬達(dá)的泄流量減小，導(dǎo)致產(chǎn)熱功率降低。如圖17c所示，采用不同規(guī)格的管徑對(duì)液壓閥產(chǎn)熱功率影響較小，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)油液的流量保持恒定，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入閥體的油量一定，閥體內(nèi)部油液的流速及流動(dòng)狀態(tài)基本不變，所以閥體的產(chǎn)熱功率不發(fā)生明顯變化。如圖17d所示，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，DN10管路的產(chǎn)熱功率相對(duì)于DN8下降了約200W，通過(guò)管道的流量一定，大管徑管路中油液的流速和壓力較低，管路中產(chǎn)生的阻力損失較小，使得產(chǎn)熱功率較小。

圖17 主要部件產(chǎn)熱功率對(duì)比

系統(tǒng)部件的散熱功率與油液的溫度相關(guān)，為保證液壓系統(tǒng)的油溫維持在80℃以下，選用管徑型號(hào)為DN10的管路可采用功率更小的散熱器，在DN10管路系統(tǒng)中加裝散熱功率為500 W的散熱器后，得到系統(tǒng)的溫度變化曲線如圖18所示。

圖18 平衡溫度對(duì)比圖

將管路規(guī)格更換為DN10后，并降低散熱器散熱功率至500 W后，仿真得到的系統(tǒng)平衡油溫與DN8管路平衡油溫基本一致，表明對(duì)于16 t洗掃車(chē)清掃液壓系統(tǒng)而言，更換較大規(guī)格的管路將有效降低系統(tǒng)的產(chǎn)熱功率，所需裝配散熱器功率更小，更加節(jié)能。

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用AMESim建立的熱力學(xué)模型，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明在不加裝散熱器的情況下，油液平衡溫度將超過(guò)80℃，與理論分析計(jì)算結(jié)果一致。在此基礎(chǔ)上匹配散熱器，使得液壓系統(tǒng)平衡溫度保持在80℃以下，驗(yàn)證了選取散熱器的適用性。

分析了油泵和液壓馬達(dá)的匹配關(guān)系產(chǎn)熱功率的影響，并結(jié)合洗掃車(chē)實(shí)際情況，對(duì)部件選型進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明對(duì)于傳熱散熱部件，優(yōu)化以及時(shí)著重考慮增加其散熱功率，分析了增加液壓油箱容積已經(jīng)更換管路規(guī)格對(duì)散熱功率以及對(duì)溫升速度的影響。得出更換較大規(guī)格的管路將有效降低系統(tǒng)產(chǎn)熱功率，更加節(jié)能的結(jié)論。