中小型挖掘机液压油箱的热平衡研究

李艳军，邓启超

(1. 芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司，安徽 芜湖 241007；2. 安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241007)

中小型挖掘机液压油箱的热平衡研究

李艳军1，邓启超2

(1. 芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司，安徽 芜湖 241007；2. 安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241007)

以日立20t挖掘机液压油箱为研究对象，在分析其散热原理的基础上，根据热平衡原理，对液压油在油箱中的流动和传热特性进行分析，并依托CFD-ACE+系列流体仿真软件，对其散热能力进行分析仿真，为挖掘机液压油箱的结构优化，以及挖掘机液压系统的热平衡分析和整体的节能优化提供了参考。

液压系统；液压油箱；热平衡；CFD-ACE+；产热；散热

0 引言

液压油箱是液压系统中必不可少的辅助元件。在液压系统中，液压油箱除了储存系统循环所需液压油液以外，还有实现油液的冷却、散热、释放气体、除污、沉淀杂质等作用。中小型挖掘机的液压油箱，在设计时除了要考虑结构及功能外，还要考虑液压油箱的散热能力[1]。挖掘机液压系统的功率损失绝大多数转换为热能，导致油液和整个液压系统温度升高[2]。而液压油温的升高会降低液压油的粘度，对挖掘机液压系统的效率和整机的使用寿命造成巨大危害[3]。而挖掘机液压系统的散热主要通过液压油箱的自散热与散热器组件的散热来完成[4]。液压油箱作为液压系统中循环油液的贮存地和热交换中转站，研究其热平衡特性，提高系统的散热效率，使油温保持在合理的范围内，对于提高挖掘机液压系统的效率具有重要意义[5]。

1 挖掘机液压油箱的结构

挖掘机的液压油箱为分离式液压油箱，分离式液压油箱将油箱与机体分离开来，单独设立，油箱的散热性能较好，液压装置运行中振动产生的影响将会减弱。挖掘机油箱的散热采用自然冷却，通过高温油液在箱体内的充分流动，与油箱内的低温液压油以及外部空气之间进行热传递，使得回油的高温液体得以冷却。油箱内部设置有2～3块隔板，油液在隔板的导流作用下，在油箱中充分流动，增大了液压油箱的散热效率，同时还对壁面起着清洗的作用。当自然散热达不到要求时，还可以在油箱内部安装冷却器，通过循环流动的冷却水，带走周围的高温液压油的热量，降低液压油的温度。选取市场上使用比较多的日立20t挖掘机为试验样机，挖掘机的液压油箱及其内部结构图如图1所示。

图1 挖掘机液压油箱及其内部结构图

2 挖掘机液压油箱的热平衡分析

液压油箱的散热效率与其散热面积成正比，与其油箱结构及周围环境有关[6]。液压油箱散热是中小型挖掘机液压系统自散热的主要途径，其散热功率可以表示为：

P油=αA△T

(1)

其中：α为散热系数，与材料以及外界环境有关，W/m2℃；在通风差的情况下，α选择8～9；通风好的情况下，α选取14～20；使用风扇外部冷却时，α取20～26；采用冷却水循环冷却时，α取110～180。△T为液压系统温度变化，℃；△T=T2-T1，T2为挖掘机液压系统的热平衡温度，T1为环境温度，也即初始温度。A为油箱的散热面积，m2。

当液压系统通过油箱自散热而达到热平衡时，系统的产热量与油箱的自散热量相等[7]。这时，如果只考虑液压油温上升过程中吸收的热能与油箱的散热能相等时，液压系统的温度T2随着时间t的变化关系为：

(2)

其中：m为油液的质量，kg；C为液压油的比热，J/(kg·℃)

由式(2)可知，当t逐渐变大时，液压系统的热平衡温度逐渐收敛。因此，仅考虑油箱的自散热，其收敛温度即为热平衡时系统的温度T2

(3)

3 挖掘机液压油箱的热平衡仿真

3.1 CFD-ACE+软件

CFD-ACE+系列软件是一种较先进的CFD及多物理场软件，CFD-ACE+模块的求解器使用最先进的数值程序和物理模型，对复杂的工业流动领域提供强大的多物理场求解，能够模拟仿真流体、热、化学、力学、电学等现象。

CFD-ACE+求解器包含流体力学、传热/辐射、湍流、化学、电化学、等离子、结构动力学等18个模块，其中最基本的分析模块是流体力学和传热/辐射。CFD—ACE+涵盖所有的模型网格划分技术，包括Triangle、Quad paving、Mesh gird等。其建模、计算及后处理相互分开，紧密结合。与其他的仿真类软件一样，也包括三大部分：前处理器、计算求解器、后处理器，如图2所示。

图2 CFD—ACE+软件主要构成

3.2 液压油箱的建模

根据所选取的日立20t挖掘机，测量其液压油箱的相关尺寸参数和流动参数，建立的模型具体参数如下：

(1) 模型尺寸。液压油箱的外形为长六面体，长宽高之比介于1:1:1与1:2:3之间，实测液压油箱容积大约为400L，具体尺寸见表1。

表1 液压油箱尺寸

(2) 材料选择。液压油箱的材料为Q235，相关的物理参数见表2。

表2 油箱材料的主要物理参数

(3) 液压油的选择。选常用的46#液压油为工作介质，其主要物理特性见表3。

表3 46#液压油的主要物理参数

3.3 液压油箱模型的运算仿真

在CFD-GEOM中进行三维建模，模型进出口为圆管，对应油箱的回油口与吸油口，进出口内径均为60mm。油箱的箱顶设置回油管，对应模型的油液进口，在侧面设置吸油管，对应模型的油液出口。进回油路之间设置三块隔板，增加了油液在油箱中的流动时间，提高散热效率。其他零件如滤清器、放油塞、注油孔对于模型影响不大，忽略不计。在CFD-GEOM中建立的三维模型如图3所示。

图3 液压油箱三维模型网格图

将上述模型的导入CFD-ACE中，定义VC(Volume Condition)部分，定义换热模块为综合换热，箱壁和隔板均定义为固体，其余部分为流体，具体参数见表2与表3。定义BC(Boundary Condition)部分，油箱表面定义为薄壁wall，初始表面温度为30摄氏度，其余为Interface，上面进口处定义为Inlet，侧面出口为Outlet，进口流量定义为0.56 kg/s，温度设定为80摄氏度，出口压强为默认值，初始环境温度为25摄氏度。计算时考虑油液流动的重力加速度，在出口处设置一个检测点(Monitor Point)，检测其温度变化。导入CFD-ACE中的计算模型如图4所示。

图4 液压油箱计算模型

设定计算1000步，得收敛曲线如图5所示。

模型监测点设置在吸油管的管口处，也即为液压油箱的出口处。将计算后的模型导入CFD-VIEW中，通过后处理得到其温度变化曲线如图6所示。由图6可知，随着计算步数的增加，监测点的温度趋于稳定，最终出口温度为341开尔文，即为68摄氏度。

图5 计算模型的收敛曲线

图6 液压油箱出口监测点的温度变化曲线

在同样的初始条件下，运用同样的计算模型，将进口流量设置为1.2kg/s时，其他参数不变，在CFD-ACE中计算完成后，将模型导入到CFD-VIEW中进行后处理，得到流速比较快时，液压油箱出口处监测点的温度变化曲线如图7所示。

图7 流速快时液压油箱出口监测点的温度变化曲线

由图6和图7对比可知，在挖掘机快速作业时，液压系统中油液快速循环运转，变量泵的排量升高，出口流量增大，这时液压油箱的冷却作用很小，入口处80摄氏度的液压油，出口处为78摄氏度。对比可知，高负载下工作的挖掘机，液压油在回路中循环较快，液压油箱的自散热能力就弱化了许多。

4 结论

控制液压油的温度对于提高挖掘机液压系统的效率至关重要，液压油箱的容积越大，液压油的流动越充分，其散热性能越好，但是容积大，油液多，重量大，浪费严重，对于行走类工程机械而言是一个负担。对于小型工程机械而言，液压系统产热不多，液压油箱的自散热足以满足要求。而对于中大型的工程机械，负载变化比较大，发热量多，油箱的散热不能满足要求，还需要借助散热器来完成液压系统的散热。因此，在中小型挖掘机液压油箱选型设计过程中，要充分考虑液压油箱的自散热能力，合理选择液压油箱的规格，以控制液压油箱的热平衡温度，提高液压系统的效率，使挖掘机能够长期、高效稳定地工作。

[1] 袁伟伟,杨宏军.工程机械液压油箱设计与容量计算[J].机械工程师,2016(9): 92-93.

[2] 郭庆,邵德君.CAT挖掘机液压系统发热的故障分析[J]. 工业技术,2011(4):235.

[3] 王绪桥,李永刚.挖掘机液压油温度过高原因分析[J].工程机械与维修,2016(5):78-79.

[4] 刘世亮.挖掘机液压系统节能控制的分析研究[D].兰州：兰州理工大学,2009.

[5] 张笑,胡元.挖掘机液压系统温升及热平衡研究[J].机械工程师,2012(10):16-18.

[6] 彭伟春.关于工程机械液压系统散热的几种方案[J].工程机械,2003(12):38-39.

[7] 张莉茹.油箱热平衡分析与计算[J].液压与气动,2007(3):24-25.

(责任编辑：孙文彬)

The Heat-balance Research on the HydraulicOil Tank of Excavator

LI Yan-jun1, DENG Qi-chao2

(1. Wuhu ANPU Robot Technology Rresearch Institute Co. LTD，Wuhu Anhui 241007，China; 2. Mechanical Engineering Department，Anhui Polytechnic University，Wuhu Anhui241007，China)

This articles takes the 20t Hitachi excavator hydraulic oil tank as the research object, and depending on the analysis of the heat-sinking principle of it, this paper studied the heat-sinking capacity according to the principle of heat balance theory. And based on the series of CFD-ACE+ fluid simulation software, this article simulated the flow and heat transfer characteristics of the oil in the tank. This paper provided a reference for the structure optimization of the excavator hydraulic tank and the heat-balance research, the energy-saving study of the excavator hydraulic system.

hydraulic system; hydraulic oil tank; heat-balance; CFD-ACE+; heat production; heat sinking

2016-10-19

李艳军(1990-)，男，河南信阳人，工程师，硕士，主要从事机电系统控制研究。

TH

A

1009-7961(2017)01-0005-05