仿真實驗：良好散熱型液壓油箱及工況監控研究

龍藤 劉曉南 北京建筑工程學院 100044

仿真實驗：良好散熱型液壓油箱及工況監控研究

龍藤 劉曉南 北京建筑工程學院 100044

hydraulic system; hydraulic source; hydraulic oil temperature; monitoring system

引言

液壓系統，作為一種動力傳動與控制系統，目前已經廣泛應用于各種機械設備[1]。但是，由于液壓系統，特別是高速液壓控制系統，存在較大功率損失，功率損失變成熱量使液壓油溫度升高。而液壓油溫度升高，導致液壓系統性能變差，甚至不能正常工作。 根據檢索到的文獻看[2]，液壓系統故障和非正常停機，80%以上是因為液壓油溫度不正常所致。

油溫過高會對液壓系統產生不良影響。這些影響主要有：(1）油溫過高，油液粘度降低，液壓油可壓縮性變差，影響液壓系統執行元件運動速，對于控制系統而言，降低控制精度和快速性，對于傳動系統而言，同樣降低工作速度；(2）油溫過高，會使油液的潤滑性能變壞，加劇運動副元件的磨損；(3）油溫過高，加速油液氧化變質，并析出瀝青物質，降低液壓油的使用壽命。析出物堵塞阻尼小孔和縫隙式閥口，導致壓力閥卡死而不能動作、金屬管路伸長而彎典，甚至破裂等。

目前，解決液壓系統溫升問題的技術，一般是利用油箱殼體表面自然散熱的方法。利用油箱殼體自然散熱，油箱體積往往偏大.油箱容積通常要達到250l以上[2]。

1.良好散熱型油箱箱體結構總體構想

1.1 傳統油箱結構特點

傳統油箱通常采用油箱殼體自然散熱的方式，由于油箱采取整體式，散熱面積較小，所以液壓油溫度較高。為降低其溫度，因此油箱體積往往偏大。

本設計要求油箱具有良好的自然散熱能力并且可以應用于移動式設備，因此需要突破常規設計思路，采用新結構油箱，盡可能增大油箱自然散熱面積。

1.2 單體組合式散熱油箱結構的總體方案

建筑暖通系統，為了增加傳熱面積，提高傳熱效率，廣泛采用板翅式散熱器。如圖1和2所示。本研究，采用板翅狀薄鋼板，焊接成形為油箱模塊單體，然后配裝成具有良好散熱性能的液壓系統用油箱。這種油箱的設計有兩種好處，一是避免油箱體積過大，二是避免配置復雜獨立的冷卻裝置。如需要，可以在支撐油箱的臺架上，配置液壓馬達，由液壓馬達帶動風扇對油箱進行冷卻。為了增大油箱的通風量,增強油箱散熱能力以及實現油箱單體體整體化，在底部安裝風扇，用臺架支撐風扇和油箱。

圖1 風扇設計 圖2總體設計

2.散熱需求分析

2.1 散熱要求具體分析

當液壓油溫度到達一定值時，需要可以使油溫保持在適當溫度范圍的油箱殼體散熱。采用LMTD法計算油箱的散熱面積。

LMTD法是基于傳熱公式

式中：Φ—液壓油需要散發的熱量；

K—傳熱系數；

A—油箱散熱面積；

Δtm—空氣平均溫差。

2.2 油箱單體散熱面積的計算

設計要求：液壓油的進口溫度為80℃， 出口溫度為60℃；液壓油的流量為30l/min，空氣流量為0.377m3/s；油箱頂部空氣溫度為30℃，油箱頂部空氣溫度為60℃。

在相同儲油量的情況下，本課題的主要目的是盡量減小油箱尺寸，并且盡可能的提高油箱自身的散熱能力。板翅式散熱片結構如圖3所示。

假設油箱的長寬高分別為600mm,350mm和400mm。可以由傳熱學公式計算出Φ、tm、K、S。

圖3 板翅片示意圖

式中：S－散熱面積,m2

tm－ 平均溫度, ℃

Φ2——空氣需要吸收的熱量. J.

式中：t1—油箱進口溫度,℃t2—油箱出口溫度, ℃

t3—油箱底部溫度, ℃

t4—油箱頂部溫度, ℃式中：q—空氣流量, m3/s c— 空氣散熱能力. Jkg-1

式中：h1—傳熱系數 m2k

h1—空氣和油箱間的傳熱系數 m2k

Rf—鑄鐵散熱系數

In this equation:

λ— 散熱系數

De— 相對直徑.

K和S可由式（5）算出, K等于18.033W/(m2k）, S 等于 3.584m2.

式中：H－油箱高度，

n－油箱單元一側齒數.

散熱面積S等于S1;散熱面積是3.6m2,所以板翅式油箱的容積是84L。

如果使用普通油箱（油箱表面是平坦的），散熱面積S2=2.4m2

散熱面積S1比S2多出50%，因此在相同散熱面積條件下，板翅式油箱可以節省很多體積。

3.良好散熱型油箱結構具體設計

此設計要求油箱可以應用于移動式設備，體積應盡量?。淮送鉃榱嗽龃笥拖涞纳崦娣e，我們打破常規，設計了由板翅式分體箱串聯形成的油箱。

油箱模塊單體之間連接結構與暖氣片連接結構相似，具體連接情況如圖4所示。

圖4 油箱單體連接示意圖

油箱單體的進油孔和出油孔內部設制有內螺紋，油箱單體之間有內螺紋相配套的空心螺栓（使油液流通）連接；此空心螺栓用油絲連接，并且相鄰的油箱單體之間螺紋的旋向相反。油箱單體之間的進油孔，出油孔和空心螺栓之間的間隙由耐油橡膠圈密封。

4.監控系統的設計

油箱監控系統包括對油溫、油位、油壓、流量、油質，液位以及油箱內氣壓和氣體濕度等物理參數的監控，該監控系統主要是由給定原件（液壓泵）、控制器（單片機）、放大元件（功率放大器）、控制元件（液壓比例伺服閥）、執行元件（液壓馬達）、被控對象（風扇）、反饋元件（溫度傳感器、流量傳感器、液位傳感器、壓力傳感器）等構成。

控制器(單片機）：選用MC9S12XEQ-512型單片機。此類型的單片機由29路獨立的數字I/O接口，10位A/D轉換器，8個可編程的PWM通道，并且與控制器局域網絡（CAN）相連接進行通信。各種信息可以通過CAN總線及時傳給上位機和顯示器。

控制元件（液壓比例伺服閥）：選用QDY系列液壓比例伺服閥。

執行元件（液壓馬達）：選用A2F系列液壓馬達。

溫度傳感器：選用PT100熱電阻型溫度傳感器。

壓力傳感器：選用CFBLS型壓力傳感器。

角位移傳感器：采用REP光電編碼器角位移傳感器，通過對光電編碼器輸出脈沖個數的計數，來測定角速度的大小。

油質傳感器：選用GON1型聲波傳感器，通過聲波傳感器以獲得與液壓油相關的粘度和腐蝕性數據，可以確定液壓油的油質。

流量傳感器：選用CNT型超聲波流量傳感器，通過接收到的超聲波檢測流體速度，從而將速度轉化成為流量。

5.仿真實驗

5.1 監控電路介紹

本文是關于監控系統的閉合回路仿真。監控系統示意圖如圖5所示，控制框圖如圖6所示。

5.2 監控系統模型研究

5.2.1 電液比例伺服閥的數學模型

當電液比例伺服閥是液壓油固有頻率的5至10倍時，由于此時比例伺服閥的頻率很大，所以可以將其視為一個比例環節，傳遞函數為：

圖5 監控系統示意圖

圖7

模擬電路如圖7所示。

Kp，Ki，Kd 分別為100，0.5，3。仿真曲線如圖8所示。

圖6 控制框圖

5.2.2 液壓馬達數學模型

由上面輸出曲線可知：此仿真性能良好，穩態誤差小，響應時間較快，無振蕩。

圖7

6.結論

6.1 首先通過調研了解目前液壓油源種類和技術現狀，分析其技術存在的缺陷，然后提出良好散熱型新型油箱及工況監控的總體技術方案。

6.2 根據規定的功率，對良好散熱型新型油箱自然散熱能力進行計算與分析，以確定散熱面積，從而具體設計殼體結構。

6.3 對數字采集與顯示系統，按設計要求，選擇具有A/D功能的單片機、顯示器及傳感器等，即可構成所需要的監控系統，形成總體配置方案。

代入公式可得：

5.2.3 測速反饋系數的選定

式中：U為電壓大小

ω為液壓馬達轉速。

式中：Q為A/D.二進制量。

5.3 監控系統的仿真

利用MATLAB仿真。可以達到通過改變實際流量的變化，從而控制油溫的改變，使油溫達到適宜的溫度。即輸出轉速n與油液溫度變化之間建立一定的關系。

由于液壓系統中有電液伺服閥（比例環節），功率放大器（比例環節），液壓馬達（三階環節）和外部干擾等因素的存在，并且液壓系統管道長度

[1]張毅，于小莉.液壓系統過熱問題的研究[J].工程機械，2005，（6）：47～49

[2]何少華，徐剛.機械油箱的原理及體積[J].中國工程機械學報，2006，（5）：24-～25

[3]吳文山，高久好，液壓驅動冷卻風扇的轉速控制系統研究[J].中國工程機械學報，2004，（11）：37～39

[4]陳升，液壓系統油溫控制裝置[J].工程機械，2003，（2）：102～104

[5]張力軍，油溫自動控制方法[J].中國機械工程學報，2007，（10）：27～31

High level oil temperature is one of the most important factories reasons for hydraulic system to breakdown. In order to improve ability of heat-radiation and control oil temperature within proper scope, new type oil tanks are required which are made up by plate-fin units. The analysis indicates that the new type oil tanks have a good natural ability of heat-radiation. To further enhance ability of heat-radiation, it should be fixed a fan in the bottom of the oil tanks, which can strengthen the ability of heat-radiation. With monitoring equipment, monitoring system can monitor the parameters of oil tanks in real time, and control the oil temperature within proper scope. Simulation experiments tell us some significant data.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.086