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221008)

液压系统以液压油为工作介质来实现能量转换。对一个液压系统来说，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:

将式(2)、(3)代入式(1)有:

式(4)移项并积分得:

液压系统工作初始时刻，时间t =0，系统热量Q=0，代入上式得H发=C。

故液压系统达到热平衡时有:

其函数图形如图1 所示。

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:

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:

式中:V 为原油箱有效容积;

t 为测试时间;

CP为油液的体积热容;

ΔT 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 ℃，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=H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:

由式(5)、(7)推出散热器散热面积计算公式:

式中:A1、A2，k1、k2分别表示油箱和散热器的散热面积和散热系数。

ΔT 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入数值，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

实验时环境温度为0 ℃，实验值显示系统工作30 min，系统温度趋于稳定，ΔT1=40 ℃。实测油箱面积并考虑油箱的自然通风条件，按环境温度为40℃、最高允许温度70 ℃取ΔT2=30 ℃，仿真时油箱散热系数k1=10，散热器的散热系数k2=150;油液的体积热容CP=0.47 kWh/(L·℃);油箱体积770 L，长×宽×高:1.2 m×1.0 m×0.8 m。

图2 液压系统能量变化曲线

假定不考虑液压系统管路的散热，令k·A =k1·A1+k2·A2，系统正常工作时能量变化曲线见图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。H发= H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20%的修正系数，得正常工作时系统发热功率:H发=24 kW，由式(8)计算匹配的散热面积:A2=5 m2。

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3—4。

图3 系统能量变化速率曲线

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70 ℃，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;

(2)系统达到热平衡时有H发= H散，由A2=计算需要的散热器散热面积。

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ΔT，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。

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