D11T推土机液压油温升高的热力学研究及技改措施

(1.国家能源集团神华准能集团 哈尔乌素设备维修中心， 内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.国家能源集团 神华准能资源综合开发有限公司氧化铝中试厂， 内蒙古 鄂尔多斯 010300)

引言

哈尔乌素露天煤矿是我国“九五”时期煤炭改革中确定的重点建设露天煤矿[1]。该矿面积57.72 km2，资源储量16.14亿吨，是向西倾斜的单斜地质构造。此地区煤层多，断层稀少，连续性好。该矿储量丰富，是一种优质动力长焰煤，且该煤中灰、低硫、超低磷、高挥发分、中高热值。

D11T推土机在哈尔乌素露天煤矿开采过程中起着关键作用，然而液压系统油温升高不仅加快液压油的变质，而且导致整个设备性能降低，故障率增加，严重影响正常施工作业。本研究通过热力学公式计算出液压系统的能量损失功率，并算出液压油冷却器改造前后的散热量，提出了液压油冷却器的改造措施。在此基础上改造了风扇冷却系统管路及改装传感器的位置，最后通过实验分别做出冬季、夏季液压油冷却器改造前以及改造后工作时间对液压油温度的影响对比图。通过此次技术改造彻底解决了D11T推土机在实际生产过程中液压油温度快速升高的问题，保证了设备长周期稳定运行。

1 计算液压系统能量损失功率及液压油温度升高

D11T推土机液压系统的内部压力(管路忽略不计)和机械损失构成系统总的能量损失，能量损失都将转化为液压系统热量，导致液压系统油温升高且持续高温[2]。作为D11T推土机液压系统的重要组成部分，液压油冷却器在降低液压系统油温方面起着重要作用。因此，有必要对液压系统进行能量损失与温升计算，找到合适的物理参数对液压油冷却器进行改造，使液压系统油温得到有效控制。

1.1 计算液压系统能量损失功率

D11T液压系统中油温升高的主要原因是液压主工作泵、液压风扇先导变量泵、系统中各种执行部件的功率损失以及溢流阀的溢流损失[3]。此系统的能量损失功率H为：

H=P(1-η)

(1)

式中,P—— 主工作泵及风扇泵的总驱动功率

η—— 液压系统效率

η=ηpηcηa

(2)

式中，ηp—— 工作泵及风扇先导泵的效率， 可从操保手册中查到

ηa—— 工作机构的总效率， 双提升油缸及两侧倾斜油缸一般取 0.93～0.97

ηc—— 液压系统回路的效率

(3)

式中，p—— 部件承载压力

q—— 部件承载流量

∑p1q1—— 液压系统各执行部件承载压力和承载流量乘积的总和[4]

∑pnqn—— 液压主工作泵与液压风扇先导变量泵供给压力和总输出流量的乘积之和[5]

系统的能量损失功率即发热功率H也可按下式估算，由于热能的消耗总量约占主工作泵及风扇先导泵总驱动功率的16%～32%，因此：

H=(16%～32%)P

(4)

而D11T推土机发动机为C32型，功率可直接查阅，所以：

P=930×0.746=693.78 kW

(5)

即系统的能量损失功率为：

H=(16 %～32 %)×693.78 kW

=111.0～222.01 kW

1.2 计算液压油温度升高

液压系统中液压油箱是主要的散热部件，每个部件产生的总热量H可以通过液压系统中的各个散热表面散发到空气中[6]。因各类输油管散热面积较小，所以一般忽略不计。当理论计算仅考虑液压油箱的散热时，液压系统的总散热量H0可用下式表示[7]：

H0=KAΔt

(6)

式中，K为液压系统散热系数[8][ W/(m2·℃)]，计算时根据实际情况选择下列值：

当通风不良(无空气循环)时，K=7～9 W/(m2·℃)；

当通风良好(空气流速为0.8～1.2 m/s左右)时，K=13～19 W/(m2·℃)；

有风扇冷却时，K=21～26 W/(m2·℃)；

有循环水冷却时，K=115～180 W/(m2·℃)；

A为液压油箱有效散热面积，m2；

Δt为液压系统温升。一般机械设备 Δt≤34～36 ℃；矿用工程机械 Δt≤39～41 ℃；数控机床 Δt≤24～26 ℃。

当D11T推土机液压系统产生的总热量H等于该液压系统散到外界的热量H0时，液压系统达到热平衡，此时：

(7)

因为D11T推土机液压油箱的长度，宽度和高度比约为 1∶1∶1～1∶2∶3，当液压油位是油箱高度的4/5时即液压油位达到观测孔上限，液压系统的散热表面积可近似用以下公式表示[9-10]:

(8)

故液压油箱散热量为：

=16.25 kW

然而D11T原装液压油冷却器的散热量为：

H01=KA1Δt

(9)

式中,K为液压系统散热系数[ W/( m2·℃) ]，计算时根据实际情况选择下列值：

当通风不良(无空气循环)时，K=7～9 W/(m2·℃)；

通风良好(空气流速为0.8～1.2 m/s左右)时，K=13～19 W/(m2·℃)；

有风扇冷却时，K=21～26 W/(m2·℃)；

有循环水冷却时，K=115～180 W/(m2·℃)。

A1为液压油箱有效散热面积，m2；

Δt为液压系统温升。一般机械设备 Δt≤34～36 ℃；矿用工程机械 Δt≤39～41 ℃；数控机床 Δt≤24～26 ℃。

所以D11T原装液压油冷却器的散热量为：

H01=8×0.4×0.4×40=51.2 kW

因此：H>H0+H01

即D11T液压系统所散发出的总热量远大于液压油箱与液压油冷却器所能带到空气中的热量，故液压油温度必然上升。

由式(6)及式(7)可导出:

(10)

式中，V为液压油箱的有效容量，L。

从上式中可以看出，液压油冷却器的表面积与液压系统温升成反比，所以增加液压油冷却器的表面积可以降低液压系统温升。

由于设备空间有限，液压油冷却器只能放在2个中冷器的中间，同时液压油冷却器的高度不能超过主水箱的高度，且改造后的液压油冷却器的高度正好为改造前液压油冷却器高度的两倍，所以：

D11T改造后液压油冷却器的散热量为：

H02=KA2Δt

(11)

式中，K为液压系统散热系数[ W/( m2·℃) ]，计算时根据实际情况选择下列值：

当通风不良(无空气循环)时，K=7～9 W/(m2·℃)；

通风良好(空气流速为0.8～1.2 m/s)时，K=13～19 W/(m2·℃)；

有风扇冷却时，K=21～26 W/(m2·℃)；

有循环水冷却时，K=115～180 W/(m2·℃)。

A2为液压油箱有效散热面积，单位为m2；

Δt为液压系统温升。一般机械设备 Δt≤34～36 ℃；矿用工程机械 Δt≤39～41 ℃；数控机床 Δt≤24～26 ℃。

所以D11T改造后的液压油冷却器的散热量为：

H02=14×0.4×0.8×40=179.2 kW

因此：H≥H0+H02

即D11T液压系统所散发出的总热量可以被液压油箱与液压油冷却器完全散去，故液压油温升得到有效控制。

2 技改措施

2.1 改造液压油冷却器

通过分析中冷器、水箱的结构和尺寸以及计算得到的液压油冷却器的实际散热面积，对液压油冷却器进行技术改造，如图1所示。将液压油冷却器改造为40 cm×80 cm×15 cm板坯式冷却器，通过增大液压油冷却器的热交换面积以增大液压油热交换量；提高液压油冷却器的位置，将液压油冷却器的顶端与中冷器等高，在2个中冷器的中间安装液压油冷却器，下端与底部护罩保持50 cm的距离，然后加宽2个中冷器的中间间隔，重新布置进出口油路管线，保证油路顺畅，避免与其他设备部件交叉干涉，利用订制的固定螺栓将液压油冷却器固定在散热器外侧。增加液压油冷却器的高度，可以有效的防止灰尘、沙子和油污堵塞散热片的间隙，从而保证液压油冷却器的洁净，实现更好散热。同时板坯式冷却器的使用具有良好的通风性能，并且不影响中冷器和冷却剂的冷却。改造后的液压油冷却器如图2所示。

1.中冷器 2.水箱 3.液压油冷却器

2.2 改造风扇冷却系统管路

将D11T履带推土机上风扇冷却系统需要的2个液压泵安装在发动机后右侧护板下， 该护板需重新加固设计，连接管路也应根据图3重新布置，固定螺栓也要重新定制。改装液压泵为风扇先导泵，该泵是前后的组合泵，前泵是可变排量活塞泵即主泵，后泵是固定排量泵即附加泵。主泵供给的大量油为风扇马达输出功率所用，附加泵送一些油去帮助主泵，这就是液压油控制油路，该油路必须用铁质输油管路。多余油为先导供给油，先导阀块必须安装在先导泵的顶端，以保证油路顺畅，无弯折。解析阀块要设置铁质管路通道通往先导阀块。

1.中冷器 2.水箱 3.液压油冷却器

1.风扇泵压力控制电磁阀 2.主泵控制阀 3.供给先导油 4.附加风扇泵 5.主风扇泵 6.风扇泵 7.发动机ECM 8.冷却液温度传感器 9.进气歧管空气温度传感器 10.风扇泵压力传感器 11.带补油阀的风扇马达 12.液压油冷却器旁通阀 13.至油箱油流 14.液压油冷器

2.3 改装传感器的位置

传感器位置的改装主要是以下3个重要的传感器：冷却液温度传感器、发动机进气歧管空气温度传感器、风扇泵压力传感器[11-12]。

冷却液温度传感器，如图4所示。改装前，该传感器位于发动机缸体左侧前方；改装后，由于与改造管路干涉，将传感器置于缸盖的水套上，依然与冷却液相接触。冷却液温度传感器的2个针脚都必须连接到中央控制模块ECM，其中一个针脚为地线，另一个针脚为半导体热敏电阻，随温度而变化。该传感器温度高，电阻小；温度低，电阻大，可以随时监测冷却液的温度。

1.适配插头 2.线管 3.针脚 4.卡扣

发动机进气歧管空气温度传感器：改装前，传感器安装在进气口的上端；改装后，由于与改装管路干涉，将传感器置于进气口左前方。因发动机进气歧管空气温度传感器同为半导体热敏电阻传感器，所以该传感器与中央控制模块ECM的连接方法及构造同冷却液温度传感器相同，工作原理也相同，即阻值变化引起电压信号的变化，从而完成自动控制。

风扇泵压力传感器，如图5所示。改装前，风扇泵的压力从液压粗滤器的进口处测得，该位置测得的风扇泵压力有管路损耗，压力值略低于正常泵出口压力；改装后，风扇泵前端加装单向阀块，阀块上端安装压力传感器，即可准确检测风扇泵工作压力，随时掌握风扇泵的工作状态。

1.传感器 2.衬垫

3 实验验证

对液压油冷却器技术改造前以及改造后进行现场实验验证，分别对比了春季液压油冷却器改造前以及改造后工作时间对液压油温度的影响、夏季液压油冷却器改造前以及改造后工作时间对液压油温度的影响，实验结果表明，无论在通风良好的春季还是在炎热的夏季液压油冷却器技术改造后均可明显降低液压油温度。

3.1 春季液压油冷却器改造前以及改造后对比实验

本实验研究了春季液压油冷却器改造前以及改造后工作时间对液压油温度的影响。如图6所示，改造前，由于原装液压油冷却器散热量不足，随着工作时间的延长，即使在外部环境通风良好的情况下液压油温度依然升高较快；改造后，液压油冷却器的散热量已经完全可以满足液压系统的散热要求，随着工作时间的延长，液压油温度升高较为平缓，冷却器改造后可以明显降低液压油温度。

图6 春季液压油冷却器改造前以及改造后工作时间对液压油温度的影响

3.2 夏季液压油冷却器改造前以及改造后对比实验

本实验研究了夏季液压油冷却器改造前以及改造后工作时间对液压油温度的影响。如图7所示，改造前，由于原装液压油冷却器散热量不足，加之夏季环境温度很高，通风不良，随着工作时间的延长，液压油温度升高非常快，D11T推土机连续工作50 min，液压油温度迅速升高至118 ℃，液压系统油温已经远远超出正常范围；改造后，液压油冷却器的散热量已经完全可以满足液压系统的散热要求，随着工作时间的延长，液压油温度升高较为平缓，D11T推土机工作50 min，液压油温度缓慢升高至82 ℃。通过实验可知，即使在炎热的夏季，D11T推土机长时间运转后液压系统依然能保持在正常的温度范围内。

图7 夏季液压油冷却器改造前以及改造后工作时间对液压油温度的影响

4 结论

本研究通过研究冷却器的散热量找出了液压油温升高的故障成因，确定技术改造方案，并通过实验验证，解决了液压油温度升高问题。只有对液压系统温度升高进行及时有效的控制，才能确保机械设备保持正常的工作温度状态，提高施工质量和出动率。