液压系统热平衡匹配研究

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Research on Thermal Equilibrium M atch of Hydraulic SystemZHANG Wei，JIA Fuyin，DONG Mengjuan(Colege of Safety，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China)Abstract：Hydraulic transmission is widely applied in various engineering machinery，shortage of heat dissipation leads to over-run of the temperature rise，affecting normal work. To solve temperature overrun of a mine machinery，measurement method was usedto calculate the heating power of the system. The thermal equilibrium calculation form ula of the radiator area was established based onthe analysis of the thermal equilibrium.The thermal equilibrium was simulated using MATLAB/Simulink.The radiator area requiredwas calculated.The research provides reference for other matching。

Keywords：Hydraulic system；Power loss；Therm al equilibrium analysis；Radiator area液压系统以液压油为工作介质来实现能量转换。

对-个液压 系统来说 ，油液不可避免地产生压力损失、容积损失和机械损失等，而这些损失都基本上转化为热能；特别是大功率闭式回路的工程机械在长时间工作时，由于油液在系统内封闭循环 ，得不到良好的冷却，油液温升更为明显。因此 ，科学地进行系统设计 ，以使油液迅速达到热平衡，这对液压系统保持良好的工作特性具有不可低估的作用。作者主要针对某矿井用机械装置液压系统温升大的问题进行研究。

1 液压系统热损失引起液压系统温升过高的原因有两方面 ：系统效率低和散热强度不足。导致系统效率低的原因有 ：液压系统压力和体积损失大，系统元件效率低，液压油选择不合理 ，管路长度和弯曲冗余。导致散热强度不足的原因主要是散热方式选择不合理。

解决液压系统 的温升超限问题，可采取两种方法，即提高系统的总效率和加强液压系统散热强度。

而前者需要对液压系统进行较大的变动，还要对装备的结构进行改造 ，不适用于此研究课题。

为解决现有设备液压系统的温升大的问题 ，采用加装散热装置的方式。通常在液压系统中可通过加装散热器对油温进行控制 ，散热器分为空冷和水冷两种，考虑降温效果，决定采用水冷散热降低液压系统温升。

2 液压系统热平衡分析系统热能对时间的微分等于瞬时发热功率与散热功率之差，即：其中：H散k·A·AT热力学公式：Qc·m·AT将式 (2)、(3)代入式 (1)有 ： - k.A· Q式 (4)移项并积分得 ：- k.A· Qc (1)(2)(3)(4)液压系统工作初始时刻，时间 t0，系统热量Q0，代人上式得H发C。

故液压系统达到热平衡时有：Q · ·(1e告 )其函数图形如图 1所示。

收稿 日期：2012-03-21作者简介 ：张伟 (1989-)，硕士研究生，研究方向为机械安全。E-mail：zhangweieumt###163.eom。

第 10期 张伟 等：液压系统热平衡匹配研究 ·87·系统能量时 I司图 1 液压系统热量变化曲线由图看出平衡时系统能量趋于稳定 ，此时：H发 (5)3 热平衡计算模型及仿真3.1 测量法计算系统总发热功率未增设散 热器前，由测量法 计算 系统总发热功率 ：H V·CP·AT/1 O00t (6)式中： 为原油箱有效容积；t为测试时间；C 为油液的体积热容；△ 为油液温升。

3.2 散热面积计算模型工程机械最高允许工作温度为 65～70 oI，综合对费用及散热效果的考虑 ，选择对该装置加装水冷散热器。

假设条件 ：液压系统中管路的散热量较油箱和散热器可忽略。

此时散热器的面积计算公式 ：H散A1·k1·ATA2·k2·△ (7)由式 (5)、(7)推出散热器散热面积计算公式：i k。

Az I 。 。 (8)式中：A。、A ，k 、k 分别表示油箱和散热器的散热面积和散热系数。

AT是变量 ，定义为允许的最大温升。在对系统匹配散热器时，针对不同系统允许的最大温升代人数值 ，针对散热器的散热面积进行匹配计算。

3.3 液压系统热平衡仿真和计算以某矿井用机械装置液压系统为例，正常工作时其4个马达同时工作 30 min，其油箱温度变化见表 1。

表 1 液压系统温度测量值时间/min 5 10 15 2O 25 30温度/℃ 37.1 39.1 39.9 40.0 40.0 40.0实验时环境温度为0 cI，实验值显示系统工作30 min，系统温度趋于稳定，△ 40 oC。实测油箱面积并考虑油箱的自然通风条件，按环境温度为40qC、最高允许温度 70℃取 △ 30℃，仿真时油箱散热系数 k 10，散热器的散热系数 k 150；油液的体积热容 C 0.47 kWh/(L·℃)；油箱体积 770L，长 ×宽 ×高：1.2 m×1.0 m×0.8 m。

管路 的散 热，令 k·A · A k ·A ，系统正常工作 时 能 量 变化 曲线 见箍 图 2。

图 2显示系统正常工作 15 min时，液压系统能量 趋 于 定 值 38 992 kJ。

O 5 l0 15时间/min图2 液压系统能量变化曲线此时进行 散热面积 的计算：将 测量值代 入式(6)并加上 20%的修正系数，得正常工作时系统发热功率 ： 24 kW，由式 (8)计算匹配的散热面积：A，5 m 。

4 仿真按上面计算结果 ，为该装置增加散热器 ，在此之前利用 MATLAB对系统温度变化进行仿真，结果见图 34。

口i 2：2芰1褂 1最辫咖j勰图3 系统能量变 图4 系统温度化速率曲线 变化曲线图 3显示随着系统趋向热平衡状态 ，系统温度变化速率与时间线性相关，呈减小变化，系统达到热平衡时，变化率趋向于零。图4显示增加散热器后 ，系统正常工作时，其温度将随时间线性增加，平衡时温度小于7O℃，满足设计要求∩以按照计算数值增设散热器。

5 结论对散热器散热面积的计算，常用的理论计算方法需要知道系统的输入、输出功率，系统压力、流量，流经阀和管路的压差等参数，适合于设备出场前的散热匹配。而对于已经投入使用的设备，文中提到的方法将更有效 ：(1)由测量法计算系统发热功率H发；(下转第74页)· 74· 机床与液压 第4l卷阀 13是五五集分流 阀，目的是保证左右洒布杆油缸能同步动作。洒布杆提升油缸 14总共2根，均为双作用油缸，左右洒布杆通过机械和液压同步保证动作同步性。

l-液压油箱 2-温度计 3-液位计 4-空气滤清器 s-吸油过滤器6-液压泵 7-压油过滤器 8-集成阀块 9-溢流阀 1O-节流阀ll-电磁换向阀 12-液压锁 13-集分流阀 l4-洒布杆提升油缸l5-散热器 l6-回油过滤器图4 液压系统工作原理图具体动作过程：发动机取力器带动液压泵转到正常工作转数，在同步碎石封层车准备洒布工作时，电磁阀11的Y1电磁铁得电，液压油从洒布杆提升油缸14的无杆腔进油，洒布杆提升油缸做下降动作，当运动到所需高度时，电磁阀失电，液压锁锁住油缸，保证高度位置不变化；在同步碎石封层车准备运输行驶时，电磁阀11的Y2得电，液压油从洒布杆提升油缸 14的有杆腔进油 ，洒布杆提升油缸做上升动作 ，上升到所需高度时，电磁阀失电，液压锁锁住油缸 ，保证高度位置不变化。

3 结论通过对同步碎石封层设备的深入研究，提出了沥青洒布装置的在洒布过程中的不足之处并加以优化设计，提高沥青洒布的均匀度，从而提高了路面的使用性能。优化设计的装置包含电控部分和液压部分 ，电控部分实现对液压和洒布管的控制，通过在洒布管上安装超声波传感器发射距离信号，经主控室接收处理，将信号发送给电磁阀，驱动液压缸上下运动，从而调节沥青洒布管距地面的高度来保持沥青洒布管距地面稳定的高度，最终目的是实现沥青洒布三重叠的稳定效果，经过优化的装置，使原来沥青洒布与设备载重变化而引起的横向不均匀得到大大的提升，增强了沥青洒布效果，从而提高了路面性能。