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        一種裝載機(jī)液壓散熱校核與改善思路

        2023-12-09 11:57:34楊文斌
        建筑機(jī)械化 2023年11期

        楊文斌

        (廣東富華工程裝備制造有限公司,廣東 江門(mén) 529700)

        液壓系統(tǒng)是裝載機(jī)系統(tǒng)組成的關(guān)鍵部分,由于能量傳遞效率不可能達(dá)到100%,閥及管道壓力損失、機(jī)械傳遞損失等都會(huì)不可避免地導(dǎo)致發(fā)熱。液壓油溫過(guò)高會(huì)加速密封件老化和液壓元件磨損,當(dāng)液壓油溫持續(xù)高于90℃時(shí)將嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)可靠性。為保證液壓系統(tǒng)性能,控制液壓油溫重要。一般情況下裝載機(jī)液壓油溫需控制在50~85℃之間?,F(xiàn)就某50 型裝載機(jī)現(xiàn)有熱平衡試驗(yàn)結(jié)果分析其可靠性,并通過(guò)計(jì)算校核進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

        1 現(xiàn)有狀態(tài)熱平衡試驗(yàn)及結(jié)果分析

        高速行駛熱平衡及試驗(yàn)條件:使該機(jī)器發(fā)動(dòng)機(jī)保持最大油門(mén)狀態(tài),檔位處于最大(該機(jī)型為第4 擋位發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 200r/min),行駛路面為普通水泥路面,裝載5t 負(fù)載。在如圖1 所示的場(chǎng)地中持續(xù)高速行駛,直至液壓油溫達(dá)到平衡,并記錄下試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        V 形鏟裝熱平衡及試驗(yàn)條件:在如圖2 所示的場(chǎng)地中進(jìn)行V 形鏟裝試驗(yàn),工作周期45S,并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

        試驗(yàn)結(jié)果:高速行駛熱平衡測(cè)試結(jié)果如圖3所示,平衡溫度53℃。

        圖3 高速行駛熱平衡測(cè)試數(shù)據(jù)

        根據(jù)熱平衡轉(zhuǎn)換公式:T平=T測(cè)+(45-T環(huán)),其中T平為平衡溫度(換算得到);T測(cè)為實(shí)測(cè)溫度;T環(huán)為環(huán)境溫度。將參數(shù)帶入可得T平=78.7℃<85℃,故高速行駛液壓油熱平衡滿足要求。

        V 形鏟裝熱平衡測(cè)試結(jié)果如圖4 所示,散熱器進(jìn)油溫度達(dá)到82℃以上,考慮到環(huán)境溫度較低,暫停測(cè)試,則T平=102℃>85℃。

        圖4 V形鏟裝熱平衡測(cè)試

        換算后鏟裝散熱器入口熱平衡達(dá)102℃,嚴(yán)重高于正常溫度要求。為此需要進(jìn)行液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率與散熱器散熱功率驗(yàn)算,并制定改進(jìn)方案。

        2 功率損失計(jì)算

        液壓系統(tǒng)發(fā)熱主要原因在于液壓泵功率損失、閥功率損失(多路閥、流量放大閥、卸荷閥等)、液壓管路功率損失等。

        2.1 液壓泵的輸出功率及功率損失

        式中P1——液壓泵損失功率;

        Pb——液壓泵的輸出功率;

        η1η2——液壓泵的總效率;

        P——液壓泵實(shí)際工作壓力;

        Q——液壓泵輸出流量。

        如圖5 所示為該機(jī)型一個(gè)鏟裝周期泵壓力變化曲線,因是雙泵合流系統(tǒng),且轉(zhuǎn)向泵卸荷壓力為150bar,在此壓力以上按工作泵單泵流量計(jì)算;該機(jī)型為全液壓制動(dòng)系統(tǒng),需將制動(dòng)泵同時(shí)列入計(jì)算,鏟裝過(guò)程中油門(mén)不松開(kāi),可視為恒流量。整理后各泵工作壓力等級(jí)及占比見(jiàn)表1。

        表1 各泵工作參數(shù)及壓力等級(jí)占比

        圖5 一個(gè)鏟裝周期泵壓力曲線

        將表1 參數(shù)代入式(1)、式(2),可得P1=10kW,Pb=48.94kW。

        2.2 液壓閥功率損失

        裝載機(jī)液壓閥主要包括多路閥、流量放大閥等。液壓閥功率損失按式(3)計(jì)算

        式中P2——液壓閥功率損失;

        ΔPv——多路閥內(nèi)部壓力損失;

        ΔPL——流量放大閥壓力損失;

        ΔPh——荷閥合流壓力損失;

        Qh——合流流量;

        Qz——轉(zhuǎn)向泵流量。結(jié)合表1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算得:P2=7.64kW,ΔPv=9bar,ΔPL=4bar,ΔPh=5bar。

        2.3 液壓管路功率損失

        式中P3——液壓管路損失功率;

        ΔPg——管路中的壓差,取平均值2.8bar。

        計(jì)算得P3=1.85kW。

        液壓油缸等功率損失產(chǎn)生的熱量基本通過(guò)缸體表面?zhèn)鬟f到空氣中,加上液壓油箱及主閥等表面被動(dòng)散熱,油缸發(fā)熱量可忽略不計(jì)。綜上,液壓系統(tǒng)理論功率損失為Ps=P1+P2+P3=19.49kW。

        散熱器設(shè)計(jì)散熱功率20kW,允許油液流量100L/min,理論上不會(huì)出現(xiàn)液壓油溫過(guò)高的現(xiàn)象,因此需要從液壓系統(tǒng)管路布置尋找原因。

        如圖6 所示,該機(jī)型設(shè)計(jì)為旁路節(jié)流回油形式,即工作裝置多路閥和轉(zhuǎn)向流量放大閥回油合流至后分兩路,一路經(jīng)過(guò)散熱器后回油箱,一路經(jīng)阻尼直接回油箱,且液壓油箱高位放置。

        圖6 液壓油箱及散熱器位置示意圖

        按計(jì)算,散熱器通流能力100L/min,則通過(guò)節(jié)流孔直接回油箱的流量為296L/min,計(jì)算得薄壁小孔直徑為22mm,實(shí)際設(shè)計(jì)為18mm,但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)實(shí)際流經(jīng)散熱器的流量達(dá)不到設(shè)計(jì)值,由此導(dǎo)致散熱功率不足引起過(guò)熱現(xiàn)象。

        3 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

        經(jīng)過(guò)散熱器流量小是造成液壓油高溫的根本原因,在實(shí)際工作中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)常變化,致使泵實(shí)際流量也在變化,而節(jié)流孔是按照最大流量設(shè)計(jì)的,小流量時(shí)大部分油液直接通過(guò)小孔回油箱,因此要解決油液過(guò)熱問(wèn)題首先應(yīng)解決流入液壓散熱器流量太小的問(wèn)題。將節(jié)流孔設(shè)計(jì)為背壓?jiǎn)蜗蜷y形式,原理圖如圖7 所示,小流量回油時(shí)由于單向閥前建立壓力較小,無(wú)法將其打開(kāi),所有流量均流經(jīng)散熱器,并以該流量值下額定的散熱功率對(duì)液壓油降溫;大流量時(shí)單向閥前建立的壓力較大并將其打開(kāi),則一部分流經(jīng)散熱器,一部分通過(guò)單向閥直接回油箱。

        圖7 改進(jìn)后回油原理圖

        此方案需要注意單向閥的選型,除了合適的通流直徑外還需確定合適的開(kāi)啟壓力,若開(kāi)啟壓力過(guò)低則會(huì)提前開(kāi)啟,改善效果不明顯,若開(kāi)啟壓力過(guò)高則在散熱器入口端壓力太高,影響散熱器使用壽命,按散熱器設(shè)計(jì),入口壓力不得超過(guò)2MPa。通過(guò)選型計(jì)算,最終選定通徑為?23mm,全開(kāi)啟壓力3bar 的單向閥。

        4 改進(jìn)后熱平衡驗(yàn)證

        按改進(jìn)后的原理圖整改后,按照同樣的方法進(jìn)行V 形鏟裝試驗(yàn),分別記錄散熱器進(jìn)油口壓力、散熱器進(jìn)油口平衡溫度,整理數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

        表2 改進(jìn)后測(cè)試數(shù)據(jù)

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,將節(jié)流孔設(shè)計(jì)為單向閥的改進(jìn)是有明顯效果的。對(duì)于小流量或流量變化區(qū)間較小的場(chǎng)景,節(jié)流孔形式的旁路也是有效果的,但對(duì)于流量大且變化區(qū)間大的場(chǎng)景節(jié)流孔則效果不佳,特別是液壓油箱布置高于液壓散熱器的時(shí)候,液壓油自重加上散熱器本身的壓損和沿途管路壓損,以及變化區(qū)間較大的流量,導(dǎo)致節(jié)流孔前后壓差變化也大,按常規(guī)計(jì)算節(jié)流孔通徑的方式顯然不太適用,因此對(duì)于類(lèi)似的布置利用背壓?jiǎn)蜗蜷y是較好的選擇。

        5 結(jié)語(yǔ)

        提高散熱器散熱效率只是改善熱平衡溫度的手段眾多手段的一種,在設(shè)計(jì)中工程師應(yīng)多從提高系統(tǒng)總體工作效率的角度出發(fā),比如選擇合適的液壓元件,避免油路塊等出現(xiàn)大角度拐角等,盡量地降低壓損,從而提高系統(tǒng)工作效率,減少發(fā)熱量。

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