液压系统中油的发热与防治.pdf

2 0 1 1 年 2月 第 3 9卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS F e b ． 2 01 l Vo l _ 3 9 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 4 6 液压系统中油的发热与防治 王伟 武汉船舶职业技术学院机械工程系，湖北武汉 4 3 0 0 5 0 摘要 详细介绍液压油发热的机理与现实原 因，针对实 际工作 中常忽略 的问题 ，提 出相应 的防治措施 ，在 进行 液压系 统 的设计时 ，采用高效 回路 、现代液压技术 、能量 回收等措施节 能 ，可 降低 油液发热量 。 关键词 油液 ；发热 ；原因 ；防治措施 中图分类号 T H1 3 7 文 献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 41 3 5 3 液压 系统油液发热是 困扰 液压 系统正常工作的重 要 问题之 一 ，温升 不仅使液压 系统泄漏增大 ，容积效 率 下降 ，而且使控制元件 的性能发生变化 。比如 ，由 于油温上升引起油液黏度降低，导致溢流阀锥阀阻尼 降低 ，使锥 阀稳定性变坏 ，引起 自激振荡噪声 ，溢流 阀产生 高频 啸叫 ，使溢流 阀不能正常工作 ；温升还使 油液及液压 系统 中的橡胶密封 、软管等加快老化 ，影 响其使用 寿命 。此外 ，温升会引起机械结构 的热变形 造成机械卡死和破坏应有 的精度 。 1 油液发热的理论分析 液压 系统效率低 ，能量损失大 ，这是 因为它不可 避免地存在两次能量转换 ，它首先通过动力装置液压 泵将原动机的机械能转化为液体的压力能 ，再通过执 行机构 液 压缸 、液压 马达 将 液体 的压 力 能转 化 为往复直线运动的机械能 ，存 在两次能量转 换 ，就存 在两次能量损失；液体在管道中流动时存在沿程压力 损失 、局部压力损失 ；液体流 经各种 阀时存 在局部 压 力损失如节流损失 、换 向损失 等 ；在 调速 、调压过 程 中存 在溢 流损失 ；此外还有泄漏损失 。这些损失 的能 量最终都转化为热量 ，使油液 发热 。另外 ，液压 系统 中有相对 运动元 件的机 械摩擦所 产生 的热量 大部 分被 液压油吸收 ，是 油温升 高的另 一个原 因。 2油液发热的现实原因 油液过热 的原 因主要有 1 油的黏度选择太高 油 的黏度 太 高 ，不仅 对 控制 的反 应有 减慢 的趋 向 ，还会造成流体摩擦增加 ，沿程压力损失增大 ，特 别是在周 围环境温度 比较低 的场所 ，使系统油温升高 情况更严重 ；也会造成液压泵吸空 ，从而增加泡沫 的 形成 。油液里的泡沫 ，在 泵 中被压缩 时 温度会升 高 ， 热的空气气泡依次加热周围的油液 ，也会产生过热现 象 2 系统安装 、使用 、维护不 当 这方面的情况 比较复杂 ，如 软管安装时太靠近 车辆的变速箱或者靠 近发动机都将 引起软管过热 ，导 致油温升高 ；磨 损的元 件未及时更换会造成泄漏的增 加，而油液通过狭窄的泄漏间隙会造成很大的压力 降 ，流速极高 ，摩擦极大 ，因此 ，会使油液的温度升 高 ；过滤 器堵塞 ，使局部压力损失增大 ；液压系统 中 油箱的液位太低 ，系统 没有足够 的油液来散热 ；冷却 器失效等等。 3 液压元件选择不 当 选 用了低效 率的动 力 、执行元件和不恰 当规格的 控制调节元件与液压辅 件。 4 液压系统设计不 当 在液压 系统 的设计 中 ，设计者往往把着眼点放在 系统 的功能 、可靠性等指标上 ，对能耗方 面考虑得不 够 多 ，由此存在各种不 必要 的损失 而造成 系统发 热。 为 了维持理想 的油温 ，又不得不采取降温的措施 ，从 而进一步加剧 了能量 的无功消耗 。因此 ，将 节能意识 融 于液压 系统设计过程 中，其降低功率损耗 的节能效 果会更优 于使用 中的节能措施 。 3防止过 热 的措施 采取 以下措施 ，可 以有效防止过热的产生 1 使用 黏度合 适 的液压 油。管 路 系统 的沿程 压力损失与液压油黏度成正 比例增 加 ，因此 ，降低液 压油黏度 ，减小 流动 阻力 ，可减小管路压力损失 ，减 小油液发热 。采用设备 制造商 推荐 的黏度被证 明是最 好 的。 2 保 持液压 系 统外部 和 内部 的清 洁。系统 外 部 的污染 物起 到一个 隔绝 和阻碍正常 的油液冷却的作 用 ；系统 内部 的污染物会 引起磨损导致油液泄漏 ，两 种情况 的发生都会 引起热量 的产生 。 3 应将 系统 中的软管 可靠 地 夹 紧和定 位 ，使 收稿 日期 2 0 1 0 0 l 一 2 7 作者简介王伟 1 9 6 5 ～ ，男 ，学 士 ，副 教授 ，主要 从 事数 控 技 术 的教 学 和科 研 工作 。电话 1 3 0 1 8 0 1 8 6 2 7 ，Em a i l w wz a n d j y h s i n a ． C O I I I 。 1 3 6 机床与液压 第 3 9卷 它远离热源。应使管道 长度尽 可能的短 ，管道越长 ， 内阻就愈大。更换管道时 ，不要用 一根长 的管道来代 替原来 比较短 的管道。但另一方面 ，也不要使管道短 到弯 曲半 径小于所规定 的值 ，避免在管道布置时产生 角度很大的急弯 。应 当根据液压工程手册的要求 ，选 取合适 的管道弯曲半径 软管转弯处半径要大于 9 倍 软管半径 ，弯曲处到管接头距离至少等于 6 倍 软管外 径 ；硬管转弯处半径应大于油管外径的 3～ 5 倍 。 4 经 常检查油箱 的液位 ，发现油位 过低 及时 加油 。 5 回油 背压 过 高也是 油 温升 高 的原 因之 一 。 应定期 清洗 、更换过滤器滤芯 ，避免过滤器堵塞 。 6 定时检查冷却器并对冷却器除垢 。 7 当泵 、液压缸 和其 他液 压元 件磨 损 时，应 及时更换。 8 合理选择液压元件 ① 动力元件 液压泵作为能量转换装置对液压系统的总效率影 响很大 。根据常用液压泵的效率高低 ，从节能的 目标 出发 ，应依 次 选择 柱塞 泵 、螺杆 泵 、叶片 泵 、齿轮 泵。变量泵 的机械效率 、容积效率虽然都没有定量泵 的高 ，但 能按负载压力 自动调节流量 ，在功率利用上 比较合理。 ② 执行元件 选取马达时 ，不要将大容量马达降低规格 ，同时 注意其合适 的转 速 ，一般 在 1 0 0 0～1 8 0 0 r ／ m i n 。如 果马达转速较低 ，压差 较大 ，容积效率就会下降 ，其 总效率也会下降 。 选取液压缸时 ，注意改善其密封条件。 自行设计 的液压缸 ，应选 择 低 阻力 材质 如 橡 塑混 合 材料 的密封件 。对于时常要求快 慢速交替工 作 的液压 缸 ， 可考虑设计复合缸 。目前将复合缸用于压力机上 ，比 同类型的普通缸 节能 7 5 ％左 右 ，将 其用 于其他 工程 机械也有不同程度的节能效果。 ③ 控制调节元件 控制调节元 件虽不属于能量转换装置 ，但若根据 系统实际功能要求合理选择控制元件 ，也 可减少系统 压力损失 ，提高 回路效率。各类控制元件应根据其在 系统 中相应位置和可能出现 的最高压力和最大流量来 确定其规格 ，不 宜过大 或过 小。在条件 允许 的情 况 下 ，尽可能采用 比例 阀、伺 服阀、插装阀。因为 比例 阀 、伺服阀的阀 口压降小 ；在相等 的负载条件下 ，选 取 比例阀可以采用较低的供 油压力 ，从 而减少 了功率 损耗；新型的二位插装阀是集成元件，其内部通道连 接使阀体本身无泄漏 ，插装 阀锥 口节流损失小 ，元件 集成式 连接也起到 良好 的节能作用。 ④ 管路 确定系统管路时 ，应合理选择管路的规格 ，注意 优化管路系统 ，力求在满足功 能的情况下 ，系统简单 可靠 ，不 出现多余的油路 ，尽量减少 弯头 。 9 合理设计 液压系统 设计液压 系统 时不但要 保证 系统 的输 出功 率要 求 ，还要保证尽 可能经济 、有效地利用能量 ，达到高 效 、可靠运行的 目的。为此 ① 尽可能采用常 用 的几种 高效 回路 采用卸 载 回路 。利用主换 向阀中位机能或二位二通换 向阀或先 导式溢流阀使液压泵卸 荷。卸荷 的 目的是节省功 率 、 减少油液发热 ，延长泵 的寿命而又不必经常启闭电动 机 ；采用差动 回路。利用换向阀的中位机能 P型或一 端机能是 R型，都具 有差 动功 能 ；采 用双泵 双速 回 路 。当执行元件快速 工进 时，双泵低 压大流量 供油 ， 当执行元 件慢速工进时 ，单泵高压小流量供油 ，大泵 卸载 ，系统几乎没有溢流损失 ，效 率高；采用蓄能器 回路。用 蓄能实现辅 助动力源或快速运动动力源及 系 统保压要求等 目的 ，减少功率损耗 。 对于采用定量泵 的液压系统 ，加一蓄能器 可以有 效地控制油温。因为 当液压缸有较 长时 间不 工作时 ， 液压能变成热 能被 白白损失 ，加一蓄能器可以作为液 压泵停止供 油时 的备用 或辅 助 动力 源 ，也可 以 用于制 动系统 的保压 ，并补充系统的泄漏 。 现 实生产 中常 常遇到 流量在 0 ． 2 4 L ／ s以下 、且 有快速上升 一慢速加压 一 保压 一快速下降的工艺要求 的回路 ，一般采用节 流阀与溢流 阀配合 的节 流调速 。 其优点是结构简单、成本低 、使用维护方便；缺点是 液体经过节流 阀时有节流损失 ，多余的油液通过溢流 阀回油箱 ，有溢流损失 。损失的能量转变为热能 ，使 油液发热 。现推荐采用 图 1 所示 的新型节能低热耗节 流调速 回路 ，可节 能且能避免溢流阀溢流带来的油温 升 高 的 情 况 。其 工 作 原 理 为 当 起 动 液 压 泵 后 ， 1 D T 、2 D T 、4 D T同时通 电，此 时液压 泵 和蓄能器 同 时供液 ，实现 快 速上行 。低 速 加压 工进 阶段 时 1 D T 断电 ，2 D T 、4 D T通 电，此 时液压泵输 出的油一部 分 经节流阀 6进入液压缸 ，使液压缸速度变慢 ；另一部 分油进入蓄能器，达到节流储能的作用。随着压力的 升高 ，当系统压力达到压力 表 8设定 的压力 时 ，2 D T 断电，液压泵输 出的油全部进人 蓄能器 ，此 时系统处 于保压状态。当蓄能器 的压力达 到压力表 l 2的设 定 压力时 ， 4 D T断 电，5 D T通电 ，液压泵输 出的油全部 经过电磁 阀 l 3回油箱 ，泵卸荷 。经过 保压设 定 的时 间后 ，1 D T 、3 D T 、 4 D T同时 通 电，此 时液 压泵 与 蓄 能器 同时供液 ，液压缸快速下降。 至此 ，整个加压过程就在蓄能器供油和储油 的过 程 中完成 ，既完成 了节流调速 的功能 ，又避免 了溢流 带来的油温升高 。 第4期 王伟液压系统中油的发热与防治 1 3 7 l 一 油箱 2 一 过滤 器 3 一 定量 泵 4 一 安全 阀 5 、 7 、 1 0 、 1 3电磁 换 向 阀 6 一 可 调 节 流 阀 8 一 工 作 电接 点压 力表 9 一 液 压缸 l l 一 蓄 能器 l 2 一 压 力 表 图 1 新型节流 调速 回路 这些 常用 的经典 回路具有一定 的代 表性 ，可以参 考借鉴 ，但不能照搬 。随着应用场合 、功能要求 、技 术参数 的不 同 ，也就使得设计方案各有侧重 。 ② 采用现代液压技术节 能 采用现代液压技术是提高系统效率、降低能耗的 重要手段 。如采用定量泵 比例 阀的压力 匹配 系统 ， 系统效率可 提高 3 0 ％ ；变量 泵 比例节 流 阀 、变 量 泵 比例换 向阀 、多联 泵 比例节流溢流阀系统 ，效 率可提高 2 8 ％ ～ 4 5 ％ 。节 能效 果更 好一 些 的有 负 载 信号传感液压泵、负载信号传感液压控制阀、功率匹 配式液压系统等。 目前 以变 量泵 和 定 差 压力控制为基础的负载传 感 液 压 系统 被 广 泛 使 用 ， 美 国国际采 矿 技术 设 备公 司 M T I ’ S 提供 的研 究 资 料表明，负载传感液压系 统 比 定 量 泵 系 统 可 节 能 6 5 ％。图 2所示 是 配 有 负 载传感元 件 的定 量 泵调 速 系统 。负 载传 感 元件 就 是 利用压力 补偿 装 置使 得 系 统的压力 与变 化 的负 载 压 图 2配有 负载传感元件 力相适应 ，从而减少压力过剩 。 对象 ，列平衡方程 P2 A 尸 Pl 的定量泵调速 系统 以负载传感元件 2为 即 P 1 一 P 2△ pF ／ A 式 中A为负载传感元件两端作用面积 。 负载传感元 件 2的弹簧力 ， 决定 着节 流阈前后 的压差 卸 ，如 果 使 F 保持 不 变 ，则 卸 为 一 定 值。 因此 ，在通过节流阀流量不 变的情 况下可减少过剩压 力 ，多余 流量 由负载传感元 件流回油箱 ，减少 了溢流 损耗 。随着负载 压力 P ， 的不 断变化 ，系统 压力 P ． 可 通过负载传感元件作适 当调 整 ，尽管存 在流量 过剩 ， 但相对于定 量泵 节流阀的调速 系统 ，具有明显的节 能效 果。 ③ 采用能量 回收措施节能 对运动 负载 的机 械 能加 以 回收 、存 储 与重新 利 用 ，可为液压 系统实现高效节能提供新思路。执行元 件不 同 ，实现能量 回收的油路也不同。 图 3所 示 为采 用 液 压马达 实现 对 负载机 械 能的 回收 。重 物 落下 时 的能量 可 以储 存 在压 力 油箱 中 ，并用 于使 液 压 马达 空载 向上 返 回。接 通二位 阀，负 载下 落 使 液压 马达变 为 泵 ，从油 箱吸 油 输 入 压 力 油 箱 ， 随着 压力 油箱 的液 面升 高 ，压 力上 升 而产 生连 续制 动 效果 。安 全 阀 限 制 冲击压 力 。当负载 卸 去 后 ，再 接 通 二 位 阀， l 一 定量 泵2 一液 压 马达3 一 安全 阀 4 一 换 向阀5 一压 力 油箱 图 3 采用 液压 马达 的 能量 回收回路 压力油箱储存 的能量使液压马达空载向上返 回。若需 提升负载 ，起动泵即可。 应该讲 ，造成液压系统发热的原 因比较 复杂 ，涉 及面广 ，其根本 原因是 液压 系统功率损失大 ，液压系 统设计不当是主要原因。 4 实例 分析 武汉 某机床厂 有 一加 工铣 床床 身 导轨 的专 用设 备 ，采用 Y B ． 8 0 ／ 4 0双联 定量 叶片泵供 油及 进油路 节 流调速 ，其动力源系统如 图4所示 。工作 台最高速度 约 0 ． 6 m ／ s 。由于磨削加工及成批生产的需要 ，周边磨 削上导轨时工作台速度为 0 ． 4～ 0 ． 4 5 m ／ s ，立式磨头磨 削下导轨时工作 台速度为 0 ． 2 ～ 0 ． 2 5 m ／ s ，而调整时需 0 ． 1 ～ 0 ． 1 5 r n ／ s 。由于采用节流调速 ，大量压力油从溢 流阀流 回油箱 ，系统发热 实测 6 1℃ 致使床身热变 形后导轨 中凹 0 ． 2 5 IT ll n ，磨削精度不稳定 。 图 4 双泵供油节流调 速动力源回路 图 5 三泵供油动 力源 回路 下转第 1 4 0页 1 4 O 机床 与液压 第 3 9卷 定故障种类 ，是 突发性 故障还 是渐 发性 故 障；其 次 对设备的工作原理和结构进行认真 、细致的分析 ，这 是排除故 障的重要环节 ；然后对 引发故障的各种 因素 进行认真 的分析和研究 ，确定引发故障的因素；当故 障原因找到之后 ，应根据设备 的结构和工作原理 、修 复难度 、修复费用等方面来确定维修方案 ；在完成对 设备的维修之后 ，应当立即试运行以检验故障是否排 除 ；最后建立设备运行记 录，它是使用经验的高度总 结 ，有利于对故障现象做 出迅速判断。 随着社会 的发 展 ，数控机 床 在生 产 中越来越 普 及 ，维修 随之成为企业必须面对的问题 ，而数控机床 的专业维修设备需要花费高额费用。在无专业维修设 备的情况 下 ，不要 急于动 手检查 ，尽量避 免 随意拆 卸，防止故障扩大，使机床丧失精度、降低性能。采 用文中提到的排除设备故障的基本过程 ，可较大程度 缩小检查范围 ，缩短设备故障的排除时间 ，提高生产 效率。 参考文 献 【 1 】余仲裕． 数控机床维修 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 03． 【 2 】徐衡． 数控机床维修[ M] ． 沈阳 辽宁科学技术出版社 ， 2 0 05． 【 3 】任建平． 现代数控机床故障诊断及维修[ M] ． 北京 国防 工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】夏庆观． 数控机床故障诊断与维修[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 6 ． 上接 第 1 3 7页 故障排除方法 。根据磨削铣床导轨工况分析 ，不 必采用无级调速 ，因此取消节 流 阀，采取 1 2 4的 l 6 、3 2 、6 3 lMm i n三泵 排 列组 合 ，得 到 0 ． 8 、0 ． 1 6 、 0 ． 2 4 、0 ． 3 2 、0 ． 4 、0 ． 4 8 、0 ． 5 6 m ／ s 7种 速 度。 同时 为了减少装卸和测量工件等辅助时间的功率损耗 ，利 用二位三通电磁阀实现卸荷，如图5 所示。 处理结果是 ，连续磨削工件两件后 ，实测油温为 4 9℃ ，测量床身导轨 中凹为 0 ． 0 5 5 m m，试磨件 的精 度符合图纸要求 。 5 结束语 要使液压系统正常工作 ，必须严格控制液压设备 的油温。根据工作条件不 同，不 同的液压设 备所允许 的最高油温是有所区别 的。以液压机床为例 普通与 精密 机 床 的 油 温 不 应 超 过 6 O℃ ，温 升 不 应 大 于 3 0℃ ；高精度机床 的油温不应超 过 5 5℃ ，温升不应 大于 2 5℃ 。 参 考文献 【 1 】吴向东 ， 安维胜． 液压系统的能量回收方法[ J ] ． 液压与 气 动 ， 2 0 0 1 1 2 1 61 7 ． 【 2 】管荣根， 顾玲， 张瑞宏． 自行式作业机械中的节能技术 [ J ] ． 机械制造 ， 2 0 0 3 ， 4 1 1 0 2 0 2 2 ． 【 3 】刘国文， 俞浙青． 浅谈几种液压节能技术的原理及应用 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 2 4 2 4 4 ． 【 4 】罗静， 柳雪春， 云飞． 一种新型的节能低热耗液压调速回 路 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 5 1 1 8一l 0 ． 上接第 1 3 8页 统在油缸两腔设计有球 阀，一般安装在阀台背面 。先 将油缸活塞杆 完全收 回，然后将 油缸一 腔油管拆 卸 ， 用两个盲板分别堵上油缸 和软管 或不拆卸管道 ，直 接关闭该腔球 阀，并泄 掉该腔压力 ，给另一腔加压 ， 通过油缸测压头 ，检测被堵腔压力 ，若压力上升说 明 内泄。部分单活塞杆油缸，对外负载很小或无外负载 的油缸也可将油缸活塞杆标记，若活塞杆随时间移动 ， 则证明油缸内泄 ，移动速度反映 内泄程度。 3 可 以 将油缸一腔堵住 ，用测压软管连接阀台 P口与油缸堵 住 的一腔上 的测 压头 ，给该 腔增压 ，检 查是否 保压 ， 继而判断泄漏情况。对于并联的两个油缸 也需要 通过 增加盲板方式来判断是哪个油缸出了问题 。 1 ． 5利用便 携式流 量检测 仪 器 有条件的可利用便携式流量检测仪器。控制系统 使油缸在两端位置停住 ，检测油缸两腔管道上是否有 流量 。若仍有 流量 ，可判断油缸 内泄 。内泄大小可 由 检测到的流量值 的大小来估 计。 2结束 语 在确认油缸是否 内泄时 ，可综合上述方法 ，根据 现场具体情况灵活应用。总之 ，在现有工具和系统基 础上 ，采用一定方法 ，可以判断油缸是否 内泄。定期 对油缸内泄和内泄程度进行判断，制定合理的维护计 划 ，可减少油缸内泄引起的停机事故和盲 目处理导致 的人力 、物力 、时问的浪费。