李 萌

（江蘇徐工工程機械研究院有限公司，江蘇 徐州 221004）

多功能鉆機是超前鉆探、地質取芯、注漿鉆孔、錨桿錨索等多工序施工裝備，某型號多功能鉆機液壓油采用風冷模式，該機型作業(yè)負載大、所處工作環(huán)境惡劣，在極端高溫及高原環(huán)境下冷卻系統(tǒng)會出現(xiàn)散熱能力不足的現(xiàn)象，使得液壓油溫過高，從而導致各液壓執(zhí)行機構無力、工作動作滯緩的情況，嚴重時會造成機器失效，嚴重影響產品作業(yè)效率。

海拔每上升1000m，空氣密度減小約8%～9%，在高海拔環(huán)境下以空氣作為冷卻介質的風冷設備散熱能力大大降低；環(huán)境溫度升高使得液-氣溫差變小，散熱效率降低。本文針對該機型冷卻系統(tǒng)問題，在原車冷卻系統(tǒng)散熱性能進行仿真分析的基礎上，提出了原風冷模塊串聯(lián)水冷模塊的改進方案，改善了該機型液壓油散熱能力，經(jīng)整車熱平衡驗證，改進方案冷卻效果明顯，提升了該機型高原及高溫環(huán)境適應性。

1 原液壓油冷卻系統(tǒng)性能分析

1.1 原液壓油冷卻系統(tǒng)參數(shù)

某型多功能鉆機原液壓油冷卻系統(tǒng)采用風冷模塊，液壓驅動風扇為液壓油板翅式散熱器提供冷卻空氣。液壓系統(tǒng)產生的熱量主要有以下幾個方面：①液壓泵的機械損失和容積損失；②溢流閥、液壓元件及管路的功率損失；③執(zhí)行元件的功率損失；④內泄漏功率的損失。本文液壓油散熱量采用簡化的方法，液壓系統(tǒng)的效率按70%計算，其余功率轉化為熱量。原冷卻系統(tǒng)設計參數(shù)如表1所示。

表1 樣機原液壓油冷卻系統(tǒng)參數(shù)

1.2 原液壓油冷卻系統(tǒng)性能仿真分析

散熱器性能數(shù)據(jù)是冷卻系統(tǒng)性能仿真計算的重要輸入?yún)?shù)，利用符合文獻1標準要求的散熱器風室試驗臺，對該款液壓油散熱器進行散熱性能試驗，如圖所示。依據(jù)JB/T 10505-2016《內燃機機油散熱器技術要求》中的試驗方法測試散熱器在不同流量和風速下的散熱性能。液壓油散熱器性能試驗熱循環(huán)介質使用46#液壓油，選擇4個油流量工況點，按照每個油流量下對應4個風速依次進行試驗，共16個檢測工況點，如表2所示。測試參數(shù)包含進油溫度、出油溫度、油流量、進風溫度、平均出風溫度、風量、油阻、風阻等。

表2 液壓油散熱器性能試驗工況

圖1 散熱器風道試驗圖

風扇性能是冷卻系統(tǒng)性能仿真計算的另一重要輸入?yún)?shù)，本文研究機型原液壓油冷卻風扇性能曲線如圖2所示。

圖2 風扇性能曲線圖

利用一維仿真軟件建立冷卻系統(tǒng)仿真模型，包含散熱器、冷卻風扇、管路等元件，如圖3所示。

圖3 液壓油冷卻系統(tǒng)一維仿真模型

仿真結果如表3所示，以其中進口油溫為評價冷卻系統(tǒng)性能的主要參數(shù)，一般要求進口油溫不高于80℃。

表3 原液壓油冷卻模塊一維仿真結果

原液壓油冷卻系統(tǒng)一維仿真分析可以判斷，該冷卻系統(tǒng)可滿足平原地區(qū)50℃環(huán)境散熱需求，但不能滿足海拔4000m高溫環(huán)境散熱需求。

2 冷卻系統(tǒng)改進

提升液壓油風冷系統(tǒng)冷卻能力，一般通過增大散熱器散熱面積和提升冷卻風量兩種途徑解決，增大散熱器散熱面積會導致散熱器體積變大，能耗增加；該車型液壓油冷卻系統(tǒng)布置在操作臺側邊，通過提升風扇轉速或增大風扇直徑提升冷卻風量會導致風扇噪聲增大，使操作人員工作環(huán)境惡化。

因此，本文采用創(chuàng)新方法，在原有風冷散熱模式的基礎上，增加水冷換熱模式，當設備處于高溫環(huán)境，現(xiàn)有風冷系統(tǒng)無法滿足散熱需求時，切換到水冷模式，采用水冷模式主要有以下優(yōu)點：

（1）冷側介質為水，進水溫度基本不受外界環(huán)境因素（海拔、氣溫）的影響，散熱效率高。

（2）不受粉塵環(huán)境的影響，散熱效果穩(wěn)定，清理頻率遠低于風冷系統(tǒng)。

（3）噪音低、節(jié)能。

在原液壓油風冷模塊油路上串聯(lián)水冷換熱器，使液壓油先流經(jīng)原風冷模塊后再流經(jīng)水冷換熱器最后回油箱。多功能鉆機本身自帶水路系統(tǒng)，用于鉆進過程中降溫、排渣，因此，可對原水冷系統(tǒng)進行改造，增加液壓油水冷系統(tǒng)。外來水源先流經(jīng)水冷換熱器后經(jīng)過增壓再用于鉆進過程降溫、排渣。改進液壓油冷卻系統(tǒng)原理圖如圖2所示。增加的水路系統(tǒng)還包括過濾器、減壓閥、安全閥等水冷系統(tǒng)附件。水冷換熱器后還設有放水閥，當冷卻介質溫度過熱時，打開放水閥，通過增大冷卻水流量提升散熱效率。

圖2 改進液壓油冷卻系統(tǒng)原理圖

改進后的液壓油冷卻系統(tǒng)具有風冷模式、水冷模式及風冷水冷復合冷卻模式。當設備處于行走狀態(tài)或工作環(huán)境無高溫高海拔等特殊環(huán)境時，宜采用風冷模式；當設備處于作業(yè)工況且處于高溫高海拔特殊環(huán)境時，可采用水冷模式；當工作環(huán)境水流量較小不能滿足水冷散熱需求時，可采用風冷水冷復合冷卻模式。

由于工程環(huán)境冷卻水源雜質較多，因此水冷換熱器選用抗污染能力強、水阻低的管式換熱器，其結構如圖3所示，設計水流量為50L/min,換熱器殼體圓周方向兩個接口為進出油口、端面兩個接口為進出水口。

圖3 管式換熱器結構圖

經(jīng)過理論計算，選用某型號水冷換熱器可滿足該機型液壓油冷卻需求，理論計算結果如表4所示。

表4 水冷換熱器理論計算結果

3 整車熱平衡試驗驗證

將水冷系統(tǒng)組件安裝在樣車上，在原液壓油散進油口、水冷換熱器進油口與進水口分別安裝溫度傳感器，進水管上安裝流量傳感器，進行改進前后整車熱平衡對比測試，測試現(xiàn)場如圖4所示。測試工況為：①原散熱模塊風扇最大轉速，不接冷卻水源（水冷換熱器不發(fā)揮作用），動力頭慢速進給垂直連續(xù)打孔。②原散熱模塊風扇不轉、外接水源，動力頭慢速進給垂直連續(xù)打孔。

圖4 熱平衡測試現(xiàn)場

整車達到熱平衡后，記錄進油溫、進水溫及水流量，如表3所示。

表3 樣車熱平衡對比試驗結果

由表3可知，改進后采用液壓油水冷系統(tǒng)，液壓油進油溫低于要求的80℃，滿足樣車散熱需求，且散熱效率高于原風冷系統(tǒng)。水冷系統(tǒng)散熱效率主要與水溫和水流量相關，高原及高溫環(huán)境對水冷系統(tǒng)影響較小，因此判斷水冷系統(tǒng)可滿足樣車在高原及高溫環(huán)境的散熱需求。

4 結論

（1）本文對某多功能鉆機原液壓油冷卻系統(tǒng)進行了一維仿真校核，結果表明原冷卻系統(tǒng)可滿足平原地區(qū)散熱需求，但無法滿足高原及高溫環(huán)境散熱需求。

（2）對原液壓油冷卻系統(tǒng)進行改造，創(chuàng)新性的增加了水冷模塊，對原車水路和油路進行了改造，并對水冷模塊關鍵部件進行了選型計算。

（3）整車熱平衡試驗結果，液壓油水冷系統(tǒng)散熱效率高于風冷系統(tǒng)，可滿足高原及高溫環(huán)境散熱需求。