液压系统热平衡匹配研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ．01 ． 2 0 1 3 液压系统热平衡匹配研究 张 伟 ， 贾福音， 董孟娟 中国矿业大学 安全工程学 院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 液压传动广泛应用 于各种工程机械 ， 液压系统在工作时散热不足将导致系统温升超限 ， 影 响正常工作 。 该课题从解决某矿井用 机 械设 备温升超限人手 ， 对 系统进行热平衡分析 ， 在此基础上建立了热平衡时的散热器面积计算公式 ， 求解 出需要 匹配的散热面积 ， 利 用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k对平衡时系统的能量 ， 能量变化率及温度进行仿真 ， 结果表明计算结果正确。该匹配方法可 以在其它液压系统 匹配 散热器 时作 为参 考。 关键词 液压系统 ； 功率损 失 ； 热平衡分析 ； 散热器面积 ； S i m u l i n k 中图分 类号 T H1 3 7 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 1 0 0 4 9 0 3 Re s e a r c h o n The r ma l Eq u i l i b r i u m M a t c h o f Hyd r a u l i c S y s t e m Z HANG We i ， J I A ru - y i n， DONG Me u a n C o l l e g e o f S a f e t y ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c t r a n s mi s s i o n i s wi d e l y a p p l i e d i n v a r i e t y o f e n g i n e e ri n g ma c h i n e r y ， s h o r t a g e o f h e a t d i s s i p a t i o n l e a d t o o v e r r u n o f t h e t e mp e r a t u r e ris e ， a f f e c t t h e n o r ma l wo r k ． T h i s t o p i c a i ms t o s o l v e t e mp e r a t u r e o v e r r u n o f a mi n e ma c h i n e ry， u s e me a s u r e me n t me t h o d t o c a l c u l a t e t h e h e a t i n g p o we r o f t h e s y s t e m， g i v e a n a l y s i s o f t h e rm a l e q u i l i b ri u m， E s t a b l i s h the t h e rm a l e q u i l i b ri u m c a l c u l a t i o n f o r mu l a o f t h e r a d i a t o r a r e a b a s e d o n t h e a n aly s i s o f t h e t h e rm a l e q u i l i b ri u m． s i mu l a t e t h e t h e r ma l e q u i l i b riu m u s e Ma t l a b ／ S i mu l i n k ． C a l c u l a t e s t h e r a d i a t o r a r e a r e q u i r e d ．T h e c alc u l a t i o n f o r mu l a e s t a b l i s h e d o f t h e r a d i a t o r a r e a a c t s a s a r e f e r e n c e f o r o t h e r ma t c h i n g ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m ； p o we r l o s s ； t h e r ma l e q u i l i b ri u m a n a l y s i s ； r a d i a t o r a r e a ； s i mu l i n k 0 前言 液压系统是 以液压油 为工作介质来实现能量转换 的 ， 对一个液压系统来说 ， 油液不可避免地产生压力损 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 0 9 作者简介 张伟 1 9 8 9 一 ， 男 ， 江苏徐 州人 ， 在读 硕士 ， 主要研究方 向为机 械 安全。 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 的工程机械进行长时 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 。本课题主要是针对某 矿井用机械装置液压系统温升大的问题进行的研究 。 打印输出试验数据 5 主机变频调速 ， 转速控制准确 ； 6 满足 C级测试精度。总体布局合理、 美观 ， 便于 操作和维修。 3结 语 1 在新 产品开发和齿轮泵的基础研究方面 ， 通过 测试 可验证齿轮泵技术性能是否达 到预期设计 目标 。 通过对测试数据和特性 曲线的分析 ，可判断齿轮泵的 结构方案是否合理、 所用材料是否最佳 ， 解决齿轮泵设 计 、 加工、 材料等方面存在的潜在问题 。 2 制造企业对批量产 品进行质量控制时 ， 通过定 期和随机抽样测试 ， 验证产 品的质量稳定性和可靠性 。 消除潜在问题 ，保证产 品质量 ，提高用户对产品的信 任 ， 有助于开发和稳固市场。 参考文 献 [ 1 ] G u o R u i ， Z h a o J i n g y i ． R e s e a r c h o f E l e c t r o- h y d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m De s i g n a n d En e r g y S a v i n g C h a r a c t e ri s t i c i n the N e w D r a w b e a d T e s t B e d [ R ] ． B e i j i n g F l u i d P o w e r a n d Me c h a t r o n i c s F P M ，2 0 1 1 I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n D i g i t al O b j e c t I d e n t - i fi e r ， 2 0 1 1 3 0 1 - 3 0 5 [ 2 ] 范存德． 液压 技术 手册【 M】 ． 沈阳 辽宁科学技术出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】 许福玲， 陈尧明． 液压与气压传动[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 O o 0 ． [ 4 ] K o n t z ， Ma t t h e w E ． B o o k ， Wa y n e J ． Ho w c o n t r o l fo r c o o r d i n a t e d m o t i o n a n d h a p fi c e d b a c k[ J 】 ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F l u i d P o w e r ，v 8 ，n 3 ，2 0 0 7 ， 1 1 1 3 - 2 3 ． [ 5 ] 徐灏． 机 械设计 手册[ M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 2 ． 4 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 O 1期 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 限的问题 ，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 ． 不适用于本研究课题 。 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 胡 发 散 1 Ⅱt 其 中H散 k AA T 2 热力学公式 Q c m AT 3 将 式 2 ， 式 3 代 入 式 1 有 辜 日 发 一 Q 4 “ t C ， ． 一土 ‘ 式 4 移项并积分得 日发 一 A_ Q C e Cm 液压系统工作初始时刻 ， 时间 t 0 ， 系统热量 Q O ， 一丝f 代人上式得 日发 1 一 e 。 故液压系统达到热平衡时有 一 A一 Q H发 1 一 e 其函数图形如图 1 所示 。 咖1 怒 螺 1龋 图 1 液压 系统 热量变化 曲线 由图 1看出平衡时系统能量趋于稳定 ， 此时 H发 H散 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 发 C o △ 7 y 1 O 0 0 t 6 式 中 原油箱有效容积； 测试时间 油液的体积热容 ； △ 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在 6 5 7 0 q c， 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 。 由上面分析 ，液压系统达到热平衡时 ， H发 日散。 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 A 1k l △ n 2 △ 7 由式 5 、 式 7 推出散热器散热面积计算公式 A 2 击 H 发 ． A 1 8 A ， A ； ．j} 。 ， k 分别表示油箱和散热器 的散热面积和 散热系数 。 △ 是变量 ， 定义为允许的最大温升 。 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 四个马达同时工作 3 0 m i n ， 其油箱温度变化如表 1 所示 表 1 液 压 系统 温 度 测 量 值 时间／ m i n 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 温度／ ℃ 3 7 ． 1 3 9 ． 1 3 9 ． 9 4 0 ． 0 4 0 ． 0 4 0 ． 0 实验 时环境 温度 为 0 C，实验 值显 示 系统 工作 3 0 mi n ， 系统温度趋于稳定 △ 4 0 ℃。实测油箱面积并 考虑油箱 的自然通风条件 ， 按环境温度为 4 0 C， 最高允 许温度 7 0 C 取 △T 2 3 0 C， 仿真参数在表 2中给出。 表 2仿真参数 假定 不考虑液 压系统管路 的散热 ，令 k A k z A ， 系统正常工作时能量变化 曲线如图 2 所示 。 下转第 5 3页 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l 0 ． 0 1 ． 2 0 1 3 A无杆腔有效作用面积 P 有杆腔增压压力 ； A 有杆腔有效作用面积； 由式 4 可知 3 ． 2 7 ， 当进油压力 p 1 2 MP a时， 有 杆腔增压压力 P ， p P - 3 ． 2 7 x 1 2 MP a 5 2 ． 3 2 MP a 由式 5 可以看出， 增压 比等于速 比‘ D ， 由于伸缩式 双作用液压缸速 比 较大 ， 所 以有杆腔增压大 ， 很容易 导致缸筒涨缸 产生塑性变性 ， 这对伸缩式 双作用 液 压缸的使用是极为不利的。因此在液压系统的设计中， 如 图 2所示 ，在液压缸 的有杆腔管路处增加 了管式溢 流阀 l 6 ，当有杆腔 回油路被堵 ，有杆腔油液产生增压 时 ， 一旦增压压力达到管式溢流阀的设定压力后 。 溢流 阀 l 6开始溢 流 ， 从而可靠地避免 了缸筒涨缸 ． 保护 了 伸缩式双作用液压缸。 上接 第 5 0页 时间／ mi n 图 2 液压系统能量变化 曲线 图 2显示系统正常工作 1 5 mi n时 ， 液压系统能量趋 于定值 3 8 9 9 2 1 0。H发 散， 系统发热量和散热量相等 。 此时进行散热面积 的计算 将测量值代入式 6 并 加 上 2 0 ％的修 正系数 ， 得正常工作 时 系统发热功率 H发 2 4 k W， 由式 7 计算匹配的散热面积 A 5 m 2 。 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 Ma t l a b对系统温度变化进行仿真 ． 结果如图 3 、 图 4所示 。 时间 ／ rai n 时间／ mi n 图 3系统能量变化速率 It tt 线 图 4系统温度变化 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 7 0 ℃， 满足设计要求。可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 3 结论 针对液压传动系统 中选用伸缩式双作用液压缸作 为执行元件时， 出现 的种种故障 ， 笔者提 出了以上解决 措施 ， 并且已成功应用于实际工作中， 取得很好的效果。 参考文 献 [ 1 】 雷天觉． 新编液压工程 手册[ M】 ． 北京 北京理 工大学 出版社 ， 1 99 2． [ 2 】 成大先 ， 等． 机械设计手册第 4卷[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 3 ] 张利平． 液压传动系统及设计[ I Ⅵ ] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 张远 君． 流体力 学大全[ M】 ． 北 京 北京 航空航天大 学出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 5 】 李 炳文 ， 王 启广 ． 矿 山机械【 M】 ． 徐州 中 国矿 业大学 出版社 ， 20 07 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 ， 本文提到的方法将更 有效 1 由测量法计算系统发热功率 H发 ； 2 系统达到热平 衡时有 H发 H散， 由 A 2 -- 日发 计算需要散热器的散热面积 。 ， c2 此方法由实验测得系统温升 ，计算 出热平衡 时系 统的发热功率 ， 基于热平衡理论 ， 推导 出计算公式 ， 根 据允许 的系统最大温升 △ ， 求解匹配 的散热器散热面 积。适合为液压设备特别是液压系统较为复杂 的设备 匹配散热器。 参 考 文 献 许光 健． 集 装箱叉 车液 压油 温过高 的处理[ J ] ． 工 程机械 与维 修 ， 2 0 0 9 ， 6 ． 高春花 ． 降低 E B Z 2 0 0 A型掘进 机液压 系统温升 的方法[ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 0 9 ， 7 1 7 9 1 8 0 ． 张旭 ． 2 0 0 0米 全液压 岩心 钻机液压 系统 工作效 率及热 平衡 分析[ D 】 ． 北京 中 国地质科学院 ， 2 0 1 1 ． 陈扬新 ， 熊 肖磊 ， 周齐 才 ， 等． 捣 固车液压油温度 自动控 制散 热系统设计[ J ] ． 中国工程机 械学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 ． 李宏伟 ． 影 响 4 0 T支架搬 运车液 压系统 油温 的因素[ J ] ． 煤 矿 机械 ， 2 0 1 1 ， 4 1 0 1 1 0 3 ． 周汝胜 ， 焦宗夏 ， 王少 萍． 液压系统故障诊断技术 的研究 现状 与发展趋势[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 6 ， 9 6 1 3 ． 张林慧 ． 闭式液 压系统油温过 高的分析与计算【 J 】 ． 煤矿机 械 ， 2 0 1 1 ， 1 1 3 8 - 4 0 ． 53 Ⅲ 吲 嘲 加 O - u l Ⅲ． 0 0 0 【 ／ 哥 最骜嘲