液压系统循环油泵流量的选择.pdf

Hy 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 01 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 7 液压系统循环油泵流量的选择 刘 林 ， 吴冠宇 C k 连华锐重工集团股份有限公司 液压传动设计院， 辽宁 大连1 1 6 0 3 5 摘 要 冶金工厂配套的液压系统往往需要配备独立的循环过滤冷却装置 ， 对循环油泵流量的选择如何能够合理有效的配置， 是保证 系统介质工作温度高效控制及系统可靠稳定运行的一个重要环节。该文主要根据系统的发热及冷却散热功率推导出简便快捷计算 循环油泵流量的公式 ， 并对循环过滤冷却装置及主要元件配置的特点进行 了论述 ， 具体涉及了油箱有效容积、 循环油泵安全阀、 冷却 水阀、 循环过滤器等相关影响因素。 关键词 循环泵 ； 流量； 循环次数 ； 散热功率 ； 有效容积 ； 温降 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 1 0 0 5 7 0 5 The Fl o w S e l e c t i o n of Ci r c ul a t i n g Pu mp Us e d i n Hyd r a u l i c S y s t e m L I U L i n． Gu a n - y u Da l i a n H u a r u i J o i n t S t o c k Gr o u p ， L t d ． ， Da l i a n l 1 6 0 3 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy dr a u l i c s y s t e m o f m e t a l l u r g i c a l f a c t o rie s o f t e n r e q u i r e fil t r a t i o n c y c l e c o o l i n g d e v i c e e q u i p p e d wi t h i n d e p e n d e n t ， h o w t o r e c y - c l e p u mp flo w s e l e c ti o n c a n b e a r e a s o n a b l e a n d e ffe c t i v e c o n fig u r a t i o n wh i c h i s a n i mp o r t a n t l i n k o f g u a r a n t e e s y s t e m o f me d i u m a n d h i g h wo r k i n g t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m tha t c a n b e r e l i a b l e a n d s t a b l e o p e r a t i o n ． Ac c o r d i n g t o h e a t i n g and c o o l i n g p o we r s y s t e m d e riv e d c o n v e - n i e n t c a l c u l a t i o n o f c i r c u l a t i o n p u mp flo w f o r mu l a wh i c h b a s e o n p r a c t i c a l e x p e rie n c e o f c i r c u l a t i o n c o o l i n g d e v i c e fil t e ri n g c h a r a c t e ris t i c s an d ma i n c o m p o n e n t c o n fi g u r a t i o n ar e d i s c u s s e d ， i n p a r t i c u l ar t o f a c t o r s a f f e c t i n g e ffe c ti v e v o l ume o f t a n k ， c i r c u l a t i n g p u mp s a f e t y v a l v e ， c o o l i n g wa t e r v a l v e l o o p fil t e r , e t c ． Ke y wo r d s c i r c u l a t i o n p um p ； fl o w； c y c l e i n d e x ； p o we r d i s s i a t i o n ； d i s c h a r g e a b l e c a p a c i ty； t e mp e r a t u r e d r o p O 引言 在冶金工厂应用 的中大型液压系统普遍采用独立 的循环过滤、 冷却装置， 以保证液压系统对污染度和工 作油温的控制需要。随着市场竞争 E t 益剧烈， 近些年 液压系统控制 回路也往往 因为选择高压紧凑集成的液 压元件和控制阀组， 特别是采用伺服或高频响比例控 制技术 ， 对液压系统带来发热功率增加 的趋势较 为明 显。为满足液压系统油温的合理控制范围， 往往需要 确定循环冷却油泵的流量、 冷却水流量、 冷却器散热面 积等参数以满足冷却器的散热功率、 自然散热功率与 系统发热功率 的平衡 。而确定循环冷却油泵 的流量是 选择冷却器散热 面积的前 提条 件 ， 这里重点就根据冷 却器的散热功率确定循环油泵的流量进行公式的推导 及论述 。 1 液 压系统介 质温度 平衡 的主要 影 响 因素 在液压系统工作介质温度 的平衡上有诸多影响因 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 1 2 作者 简介 刘 林 1 9 5 8 - ， 男 ， 蒙 古族 ， 河北 任丘人 ， 高级工 程师 ， 本科 ， 主 要从事液压系统方案设计工作。 素， 如系统的发热功率、 冷却器散热功率 包含冷却面 积、 油流量 、 水流量、 进水温度 、 进油温度 、 出水温度 、 出 油温度、 流程结构 、 压力损失 水回路的压力损失会影 响到水流量 、 环境温度、 通风条件、 油箱及管路的散热 面积等等， 如图1 所示， 另外还有液压介质、 冷却介质的 密度 、 比热容等方面的影响。 执行机构倒用工况 系统原理 适用性 元件选择 适用性 冷却器冷 却面积 循环 冷却 油流量 冷却水流量 冷却水进口温度 冷却水出口温度 冷却器进口油温度 冷却器 出口油温 度 冷却器流程结构 系统发热功率 t 循环冷却散热功 工作介质平衡温厦 ． 、 h- ／ 图1液压系统介质温度平衡的主要影响因素 而在冷却 器换 热的动态过程 中， 只有换热 面积 和 结构是固定不变的。冷却器 的油流量 即是循环油泵的 流量， 在上述影响因素中也起着关键作用 ， 一经确定后 通过冷却器的油的流量通常也是相对比较稳定的， 其 冷却功率主要将随进出口的油温、 进出口的水温、 进 口 的水量变化而变化 ， 达 到相对 的动态平衡 。而环境温 度则对系统的自然散热影响较大。这里主要讨论如何 57 液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 5年 第 0 1 期 根据冷却器所需的散热功率来简单快速确定循环油泵 流量的问题 ， 或者说快捷 的确定循环油泵流量 的选择 范围。 2 循环油泵流量的选择方法 根据系统的发热功率确定冷却器的散热功率及循 环 油泵流量 的选择方法 ， 我们知道 系统发热功率的计 算方法， 在机械设计手册 第五版 液压传动单行本 d O 表 2 1 8 1 8 0 给 出的散热计算 的公式 ， 通过该表 中的散 热计算公式我们也可导出 自然散热功率 见 鼠 一 1 式中 系统的自 然散热功率， w； H专 热系数 ， W／ m K ； A 散热面积 ， m ； 卜 液压介质工作温度 ， K； 一 环境温度 ， K。 那么根据热平衡方程式 一 Ho 2 式 中巩一冷却器散热功率 ， W； 系统发热功率 ， w。 我们可 以理解需要冷却器散热 的功率首先会使系 统油箱内的工作介质产生温度的升高 ， 同时再通过冷 却器进行热交换使介质的工作温度维持某一阶段的平 衡。而经过冷却器油的流量对冷却器的散热功率有着 关键的作用。以下介绍一种便捷的方法确定用于冷却 的循环油泵流量的选择方法 。 首先我们根据需要冷却器的散热功率 在单位时 间内使油箱 内介质产生 的温升 △ 。这里 以矿物油为 例 ， 我们可以根据机械设计手册f 第五版 液压传动单行 本 表 2 1 8 1 8 1 油箱 中的油液加热公式推导 出需要冷 却器散热功率对油箱油液所产生的温升， 根据公式 H o c T V A T 3 』 式 中 胁需要冷却器散热的功率 ， W； C 介质的比热容 J ／ k g K 对矿物油 c 1 6 7 5 2 0 9 3 J ／ k g K ≈ 4 ． 6 5 3 1 0 ～～5 ． 8 1 4 1 0 ～ k W h／ k g K 注 1 J 2 ． 7 7 8 1 0 ～ k W h ； 介 质 的密度 ， k g ／ m 对矿 物油y - 9 0 0 k g ／ m ； 油箱的有效容积 ， m ； 卜单位时间， h 这里可按 1 小时计算 ； A r 等量散热功率在油箱加热油液后产生的 温升， K 这里用△ 表示油箱内油液在 时间所产生的 温升 。 5 8 则 4 在不考虑其他 因素 的影响 ， 假设 油箱 内油液 温度 均匀分布 ， 理论上 系统需要冷却器进行散热平衡 的热 功率在油箱内对油液所产生的温升需要完全依靠冷却 器进行热交换降温以维持系统油液的平衡温度工作在 许可的范围内， 这样我们就将引用了油箱油液单位时 间内的循环次数 或循环周期 这一概念 ， 时间我们 可 按 1 h 为单位 。为此我们给出下列公式 油箱油液在单位时间 内的循 环次数 单位 时间内 油液的总温升／ 冷却器进出油 口温降 5 式 中 ．厂 油箱循环油泵循环周期 次数 c ／ h 次， ／ J 、 时 ； 单位时间 ， h 可按 l h ； △ 冷却器进出油口温降， K， 或者说每次通 过冷却器油液的温降， I ／ 次。 这样根据油箱的容积考虑循环泵流量可按下列公 式计算 Q v 6 式 中 油箱油液循环一个周期所用 时间 h 小 时 。 而 7 或 8 则 Q vv f 9 式 中Q循环泵流量 ， m ／ h ； 油箱的有效容积， m 。 前面提到 △ l 1 o C T 我们将公式整理得出 Q V 1 1 即 Q m3 ／ h 1 2 或 Q L ／ mi n 式中Q循环泵流量 ， L ／ mi n ； k 折算系数 ， m K ／ k W h ； k 折算系数， L K ／ k W m i n ； 需要冷却器散热的功率 ， k W； △ 冷却器进出油口温降， K ， 其中K为开 Hy dr a ul i c s Pne u ma t i cs S ea l s ／ No． 01 ．201 5 氏温度单位。 或℃， 对于温差△ ， 摄氏温差与开氏温 差相同 k ， _上 m， ． K ／ k W． h 1 4 k 1 6 ． 7 k L K ／ k W mi n 式中c 介质的比热容 k w h ／ k g K ； 质的密度 ， k g ／ m 。 公式 1 2 既是本文腑 寸 论的重点， 即为方便 定 循环泵流量所导出的公式。当工作介质选择矿物油时， c 一 1 6 7 5 2 0 x 9 3 J ／ k g K - 4 ． 6 5 3 1 0 ～一 5 ． 8 1 4 x1 0 ～ k W h ／ k g K ， 而y 9 0 0 k g ／ m ， 厦单位用 k W， 则上式可简化 为 』 i} 1 ． 9 1 ～2 ． 3 9 m I ／ k W h 即 Q m 流量Q 换算为常用单位 L ／ m i n 则 Q L ／ m i n 1 6 』 0c Q 3 1 ．8 -3 9． ～8 H o L ／ mi n 1 7 』 近似为 Q 3 2 - 4 0 一Hc L ／ mi n 1 8 』 式 中H 算系数 ， k 3 2～4 0 L K ／ k W． m i n 。 根据计算的流量 Q 选择油泵规格即初步确定了油 泵 的额定流量 Q ， 根据循 环泵流量 Q 、 冷却器 散热功 率、 进出水温度、 水流量、 进出油温度即可计算冷却器 的换热面积、 油的压降、 水的压降等 ， 也即确定了冷却 器的规格。 从公 式 1 8 中可以看 出， 为 了快捷计算 ， 知道冷却 器所需的散热功率后 ， 还必须先要估计 一下经过冷却 器液压介质的温降△ 。通常△ 在7 ℃一 9 ℃左右 或 7 K 一 9 K ， 但具体需视工厂条件及其他参数的要求而 定 ， 验算结果出入较大时则对流量影响较大 ， 此时必须 修正。比如工厂供水温度较低时可取大值， 冷却器要 求进出油温度要求较低时取小值， 或者说冷却器出口 油温与冷却 器进水的温差较大时可取高值 ， 反之则需 取小值 。 例如 某一 系统油 箱有效容积 V 3 ． 5 m ， 工作介 质 为I S O V G 4 6 抗磨液压油 ， 系统发热功率约 7 6 k W， 环境 温度按夏季 3 5 C 考虑， 计算 自然散热功率约3 k W， 需要 冷却器的散热功率约为7 3 k W， 油箱最高平衡后油温按 5 0 ℃考虑。 初步选择冷却器进出口温降△ T 8 K 根据公式 Q L ／ mi n 1 6 』 0c 计算得出 Q 2 9 23 6 5 L ／ m i n 故选择三螺杆泵流量 Q 3 0 8 L ／ mi n作为循环油泵 ， 根据下列参数进行冷却器选择计算 已知冷却换热功率 7 3 k W， 循环泵流量Q 3 o 8 L ／ ra i n ， 水流量约 2 0 9 L ／ m i n ， 冷却器进 口油温5 0 ℃， 冷却 器 出口油温 4 2 C， 冷却器进 口水温 3 5 C， 冷却器出 口水 温4 0 ℃。则按相关冷却器产品的计算公式或计算软件 得到相应的计算结果， 表 1 是通过冷却器计算软件得出 的部分计算结果。 计算书部分结果如表 1 所示。 表 1计算结果 1 由表 1 计算结果可以看到 冷却器换热面积为 1 4 ． 5 2 m ， 换热功率 7 3 k W， 进 口油温 5 O ℃， 出 口油温4 2 ℃ 温降8 ℃ ， 进 口水温3 5 ℃， 出口水温4 0 ℃， 油侧压降 0 ． 0 4 9 MP a ， 水侧压降 0 ． 0 0 5 MP a 。在实际使用 中由于污 垢等问题的存在， 通常需要根据冷却器的特点以及结 合工厂的使用条件在换热面积上往往增加 1 0 ％左右的 余量。 在上例应用中首先是确定冷却器进出油的温降和 水的温升 ， 根据功率通过计算得 出换热面积等参数 ， 对 计算结果中如某一参数不合适时可适当调整给定参数 修改计算。如果冷却器计算受其它条件限制时， 在必 要条件下也可进行循环泵流量的调整 ， 然后再次进行 验算 。 如何选择冷却器进出油的温降， 其影响如何， 我们 可以将上述例子 中在保持系统最高油温在 5 O c I 的温降 参数 △ 分别取不同数值进行计算 ， 循环油泵的流量 则按相同的折算系数k 确定， 这里 k QxA T 3 0 8 8 3 3 ． 7 5 1 9 一 i 一 一 一 一 ＼ 1 7 ／ ／ -／ ／ j 我们分别根据 △ 1 0 C 、 △ 9 o c 、 △ 8 ℃、 △ 7 ℃、 A 6 o C 计算出对应的油流量， 并利用相同 的冷却器计算软件分别计算， 得出结果如表2 所示。 根据表 2中参数得出温降一流量曲线 和温降一换 热面积 曲线 。 5 9 液 压 气 动 与 密 ／2 01 5年 第 0 1 期 表2 计算结果2 我们可以通过表2 中参数及图2 温降一 流量曲线、 图3 温降一 换热面积曲线可看到， 如果要提高换热器油 的温降， 则要增加换热面积并降低经过换热器的油流 量 ， 这样也同样增加了冷却器的成本。而减小换热器 油的温降而增加油的流量 ， 会增加油泵及油泵电动机 的成本 ， 同时增加了循环过滤器 的成本 。因此在实际 应用中根据具体的条件合理运用 。 411 ．1 3 5 2 3 0 8 豳1 2 7 4 烬 2 4 6 6 7 8 9 l O 温 降／ C 1 8 ．0 4 渣 1 4 ．5 2 蠢 1 3 ．6 4 6 7 8 9 l 0 温降／ ℃ 图 2 温 降一流 量曲线 图3 温降一换热面积 曲线 前 面主要讨论 了根据散热功率选择循环泵流量 ， 在工厂 的实际应用上循环油泵 的流量对于油箱的循环 次数厂 通常为3 ～ 5 次， 但随着现代工业设备的集成紧凑 化及伺服系统和高频 响比例技术 的广泛应用 ， 液压系 统产生的发热量的比率也随之增加 ， 另一方面由于市 场的竞争 ， 设备设计考虑到投资成本也往往在元件的 选 型上偏小 ， 而适 当提高了系统 压力 ， 这也会增加部分 的能量损耗 ， 因此某些个别系统循环次数厂 可高达6 7 次 。 当系统循环泵流量不以冷却功率考虑为主时， 而 按系统污染度控制为主时， 则循环次数厂 往往选择 1 ～ 3 。具体可参考以下条件 液压 系统配置元件较多 、 含有伺服或 比例元件 ， 以 及系统使用频繁 、 故障率较多的宜取较大值 ； 反之系统 元件少， 元件抗污染能力较强， 系统密封等可靠性较高 的可取偏小值。 3 几种循环冷却回路中元件应用的特点 及影 响 3 ． 1循环冷却回路安全 阀的应用及影响 在循环冷却 回路 中， 经常配备独立 的安全阀而非 指循环油泵本身的安全阀 ， 分析考虑有 以下几个特点 1 由于选型 的考虑通 常可 以满足较低油温条件 6 0 下循环油泵的运行， 降低了最高工作压力， 减少元件的 磨损和降低故障率； 2 降低了低温加热运行过程的噪声及低温短时 段的节能 ； 3 由于可降低油泵的最高工作压力， 循环泵选型 时相对可适当减小电动机 的驱动功率。 3 ． 2 冷却控制阀的选型及特点 分析几种常用冷却 回路控制阀的特点 1 电磁水 阀 目前较多采 用电磁水 阀 ， 其优点是 成本低， 结构简单； 缺点是开关时冲击大， 对水系统为 间断用水 ， 如图4 所示。 图 4 采 用 电磁 水 阀 2 气控角阀 采用气控角阀其优点是开关速度可 控， 平稳冲击小； 缺点是成本高， 需要压缩空气 ， 对水系 统为间断用水 ， 如图5 所示。 3 三通气控转阀 采用三通气控转阀其优点是开 关速度可控 ， 平稳冲击小 ， 用在油路上可将冷却器旁 路 ， 减少低 温运行 的阻力 ， 对水 系统为连续用水 ， 影 响 小 ， 如 图6 所示 。缺点是成本高 ， 需要压缩空气。如用 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S eal s ／ N o ． ． 2 0 于水路上时对油路无影响， 对水路要考虑水系统压力 的平衡 ， 因此不建议采用液压系统水路使用。 4 自力式水调节阀 采用 自力式调节阀其优点是 连续调节 ， 油温控制较稳定 ， 供水连续， 水量略有变化， 无冲击 ； 缺点是成本高， 阀本身存在内泄漏。 图5采用气控角阀 图6采用三通气控转阀 3 ． 3 油箱有效容积及油箱结构与循环泵流量的影响 在冶金设备液压系统设计中， 油箱的有效容积通 常为系统流量的7 倍左右， 其应用使用范围可在5 1 0 倍 的系统 流量 。当系统发热功率较大 、 系统执行 机构 较多、 管线较长、 蓄能器工作容积较大、 大规格长行程 油缸同时工作存在时等等可考虑偏大选择 ， 反之取小 值 ， 另一方面也要考虑工厂的空间尺寸条件等综合因 素考虑 。 当液压系统油箱有效容积相对较小， 循环油泵的 流量又较大时 ， 即每小时循环次数较大时 ， 应特别注意 在油箱结构上的循环回路吸油和回油区的合理布局， 这样一是可 以有效 的提高热交换 的效率 ， 另一方 面可 避免循环回油区对系统主泵吸油区产生气泡而造成气 蚀现象的影响， 尤其当采用油箱上置式循环过滤器安 装时须特别注意结构布置的合理性。 3 ． 4 循环过滤器与循环泵流量的影响 循环泵 流量选择较 大时 ， 循环过滤器 的流量规格 就会相应增大， 需要按设计规范合理配置， 特别是采用 经过冷却后 的油箱上置式循环过滤器结构型式 。 4 结论 本文就根据冷却器散热功率确定循环油泵流量的 选择方法进行了论述， 为冷却器的选择计算提供方便， 即在首先确定系统需要冷却器的散热功率 、 工作介质 的比热容和密度的前提下， 预设定一个经过冷却器进 出油口油的温降， 通过公式 1 3 可便捷计算出循环油 泵的流量范围 ， 从而根据循环油泵样本确定油泵型号 ， 然后再完成对冷却器进行选型计算 ， 为冷却器的选型 过程中确定循环油泵流量提供了一个简便实用的方法， 基本上可一次完成循环油泵流量和冷却器的选型。由 公式 1 3 可以看 出所需循环油泵流量 Q与散热功率 成正比， 与冷却器进出油口温降成反比， 与折算系数 k 成正比， 或者说与介质的比热容C 和介质的密度 成反 比。循环油泵流量Q在冷却器散热问题上与油箱的容 积或者与油箱循环次数并无直接关系。 当工作介质为矿物油 ， 设定经过冷却器进 出油 口 油的温降为8 C 时， 循环泵流量Q L ／ m i n -4 5 倍的散 热功率 k w 。在实 际应用 中具体 可根据液压系统 本身的特点及工厂实际条件来合理选择应用 ， 以便更 好的提高冷却装置的工作效率。 ’ 参考文献 [ 1 ]1 成大先． 机械设计手册 第五版 液压传动单行本 [ M】 ． 北京 化学工业 出版社 。 2 0 1 0 ． [ 2 ] 姜继海． 液压与气体传动[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 雷天觉． 新编液压工程手册【 M] ． 北京 北京理工大学出版社， 1 9 9 8 ． [ 4 ] 张利平． 液压传动系统及设计【 M] ． 北京 化学工业出版社 ， 20 05． 6 1