装载机液压系统热平衡分析

装载机液压系统热平衡分析

兰忠

中铁二局第二工程有限公司四川成都610091

摘要：随着工程机械的快速发展，装载机由于具有作业效率高、灵活机动、操作轻便及负载能力高等优点，在建筑业及矿业中得到广泛应用。本文在对装载机液压系统热特性的分析过程中，通过对装载机主要元件的产热和散热情况的研究，建立了装载机运行过程中的液压热平衡模型，基于计算机软件和程序分别将装载机工作装置的动力学和液压系统合成仿真模型。

关键词：装载机；液压系统；热平衡分析

引言

装载机属于典型的机、电、液一体化设备。主要由机械本体、液压系统、电气控制系统组成。本文对装载机液压系统热平衡进行分析，通过数学建模的形式为今后的设备安全和优化提供一定的依据。

1装载机液压系统油温过高的危害

油温过高，会使油液粘度降低，泄漏增大，运动元件之间的油膜变薄或被破坏，运动阻力增大，磨损加剧；橡胶密封件变形，提前老化失效，造成泄漏；加速油液氧化变质，降低油液使用寿命，并析出沥青物质，堵塞阻尼小孔和阀口，导致压力阀调压失灵、流量阀流量不稳定和方向阀卡死不换向；油的空气分离压力降低，空气逸出，产生气穴，从而导致装载机工作性能降低。

2装载机压系统热平衡建模阐述

首先，对于容性元件可以根据能量守恒定律以及流体焓的定义转化该类型元件的产热量数据。公式如下：

其中，qg表示经过管道流体流量的数据，ξ表示沿程阻力系数，v表示液压系统内部流体的流动速度，l表示液压管道的长度，λ表示阻力元件产生的损失热量系数，d表示液压系统的管道直径。

3液压系统热平衡计算

3.1液压系统系统发热功率计算

发热功率的计算，可采用两种方法：一种是通过元件的功率损失计算发热量，这种方法直接分析发热源，可采取针对性措施减少发热量；另一种是通过系统的输入功率和执行元件的有效输出功率来计算发热量，这种方法不需要考虑每一个发热源，但需要掌握系统工况随时间变化的特性。

3.1.1按元件功率损失计算

（1）液压泵功率损失引起的发热功率：H1=P（1-η）。其中：P—液压泵的总功率，P=pq/η；η—液压泵的总效率，一般在0.7~0.85之间，常取0.8；p—液压泵实际出口压力；q-液压泵实际流量。

（2）液压阀功率损失引起的发热功率：H2=p1q1。其中：p1—通过阀的压力损失，根据测试数据统计，一般取阀口压降为1.4MPa；q1—流经该阀的流量。

（3）管路及其他功率损失引起的发热功率：H3=（0.03~0.05）P。此项功率损失，包括很多复杂的因素，由于其值较小，加上管路散热的关系，在计算时一般取全部能量的0.03~0.05倍。

（4）系统总的发热功率损失：H=∑Hi=H1+H2+H3。

3.1.2按系统输入功率和执行元件有效输出功率计算

当把液压系统当作能量整体，电动机向液压泵输入能量和执行元件向外输出能量的差值即为系统的损失即系统的发热量。系统的发热功率为：H=Pp-Pe。其中：Pp—液压泵的输入功率，Pp=M入n入/9549，M入—电机输入轴的扭矩；n入—电机输入轴转速。Pe—执行元件的输出功率，对于液压缸：Pe=Fv/1000，F—液压缸的外负载；v—液压缸的伸缩速度，对于液压马达：Pe=Mmnm/9549，Mm—液压马达的输出扭矩；nm—液压马达输出轴转速。掘进机一般为双联泵或三联泵，计算时应把每台工作泵的功率都计算在内。

3.2液压系统散热功率计算

掘进机液压系统产生的热量，较少一部分向外部辐射，另一部分则由液压油及装置本身吸收，当各部分产生的热量、温度达到一定数值，发热量和散热量相平衡，系统即保持一定的温度不再上升。系统自然散热主要靠油箱和管路，管路的发热小且和散热基本平衡，通常只计算油箱的散热。

3.2.1油箱散热计算

油箱的散热面积：A箱=A1+A2/2。其中：A箱—油箱总散热面积；A1—与油直接接触的散热面积；A2—与油不直接接触的散热面积。因A2表面温度低，故只取它实际表面的一半作为与油直接接触的表面。

油箱的散热功率：H箱=k箱A箱△T。其中：k箱—油箱的传热系数；△T—系统温升△T=T2-T1（T1为环境温度，T2为系统达到热平衡时的温度）。

3.2.2冷却器的散热功率

（1）当掘进机处于长期连续工作状态时，为了保持液压系统热平衡状态，系统热量一部分由油箱散发外，其余全部由水冷却器散发，根据热平衡公式，水冷却器散热功率为：H冷=H-H油。

（2）冷却器散热面积：A冷=H冷/（k冷△t）。

式中△t=（t1+t2）/2-（t3+t4）/2，△t—油和水之间的平均温差；k冷-冷却器的传热系数；t1—液压油进口温度；t2—液压油出口温度；t3—冷却水进口温度；t4—冷却水出口温度。

考虑到水冷却器工作时中散热片污染，导致实际散热面积减少，因此在选择冷却器时，一般计算出来的散热面积增大20%~30%。

（3）冷却器的冷却水吸收的热量应等于液压油释放的热量，即C2Q2ρ2（t4-t3）=C1Q1ρ1（t1-t2）=H冷。因此需要的冷却水量Q2=C1Q1ρ1（t1-t2）/C2ρ2（t4-t3）。Q1、Q2—油和水的流量；C1、C2—油和水的比热容；ρ1、ρ2—油和水的密度。

当系统达到热平衡时，系统的发热量等于散热量，由于油箱容积受限，油箱散发的热量远远小于系统的发热量，若只考虑冷却器所散发的热量时，系统的温度T随运行时间t的变换关系为：T=T1+H冷/k冷A冷[1-exp（-k冷A冷t/C1m）]，当时间t→t∞时，系统的平衡温度为T=T1+H冷/k冷A冷，m—油液的质量。

4装载机液压系统热平衡分析的仿真建模结果分析

4.1装载机液压系统热特性仿真建模简述

在进行装载机液压系统热特性分析的仿真建模中，要使用ADAMS和AMESim等软件对该系统进行联合性质的仿真系统，让装载机工作装置和液压系统之间产生耦合效应，这样也能更加体现出装载机实际工作中产生的热效应情况。装载机液压系统的虚拟样机模型由动臂、摇臂、动臂油缸、连杆、转斗油缸以及铲斗等元件组成，装载机在工作一个周期时会受到翻斗、物料、自身重力等多方面的阻力。根据I型装载机的作业方式进行分析，然后其他的类型的装载机以此类推，由于其本身的工作周期较短，产生的热效应功率也较多，因此以此类推更具有典型性。

4.2装载机液压系统热特性分析试验阐述

为了验证装载机液压系统热特性仿真建模的准确性，某研究所以此样机做出了现场试验。装载机液压系统的工作压力以及各部分元件的温度，现场试验时的环境温度为30℃，装载机工作1h后液压系统的液压油温度趋于稳定。

5结束语

装载机的广泛应用大大提高了生产率，其操作简单、机动灵活。本文在进行装载机液压系统的热特性分析时，可以利用ADAMS和AMESim软件建立虚拟的仿真样机模型，得到较为真实的液压系统热特性数据。为装载机的工作特性和液压系统的热特性进行数据支持，为我国装载机技术的发展提供较为准确的优化方向。

参考文献

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