工程機(jī)械液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)冷卻系統(tǒng)研究

鄭庭， 賀元成， 孟志明

（1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 瀘州 646000）

工程機(jī)械液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)冷卻系統(tǒng)研究

鄭庭1， 賀元成2， 孟志明1

（1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 瀘州 646000）

液壓油作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，其溫度一般在35～65℃比較合理。文中以某工程機(jī)械液壓試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，分析了其冷卻系統(tǒng)，并提出兩種冷卻系統(tǒng)方案，一種采用定量泵加比例溢流閥，另一種采用變量泵。通過對(duì)兩者進(jìn)行分析、比較并進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：兩者溫度變化趨勢(shì)相同了；溫變初始階段中定量泵系統(tǒng)相對(duì)變量泵系統(tǒng)油液溫升較快；兩者油溫最終都穩(wěn)定在（60±1）℃，有效實(shí)現(xiàn)液壓油溫度控制。綜合考慮，該試驗(yàn)臺(tái)采用定量泵加比例溢流閥。

液壓油；工程機(jī)械；試驗(yàn)臺(tái)；冷卻系統(tǒng)；溫升

0 引言

液壓油作為液壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑摩擦副和傳動(dòng)動(dòng)力的介質(zhì)，不僅需要根據(jù)使用目的和使用環(huán)境慎重選擇，而且要保證其工作溫度在一定范圍內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓系統(tǒng)至少有20%的輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量并耗散在液壓系統(tǒng)中，最終表現(xiàn)為液壓油溫的升高，這將導(dǎo)致油液黏度降低、泄漏增加、油膜破裂、氣蝕和密封件加速老化等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)性能與可靠性。因此，對(duì)液壓油冷卻方面的研究具有重要意義[1]。

工程機(jī)械工況復(fù)雜，一般長(zhǎng)期以高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工作，此種情況下因液壓油溫過高導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作，影響施工的情況時(shí)有發(fā)生。本研究從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，以工程機(jī)械液壓試驗(yàn)臺(tái)為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行液壓系統(tǒng)液壓油冷卻方面的研究。

1 試驗(yàn)臺(tái)冷卻系統(tǒng)分析

本工程機(jī)械液壓試驗(yàn)臺(tái)主要進(jìn)行液壓系統(tǒng)方面的研究，是一個(gè)集數(shù)據(jù)采集與控制一體的液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)采用與負(fù)載無關(guān)的流量分配系統(tǒng)和閉式泵-馬達(dá)系統(tǒng)；加載系統(tǒng)分別為開式液壓缸加載系統(tǒng)，開、閉式馬達(dá)系加載系統(tǒng)；輔以液壓油冷卻系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)組成。試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理如圖1所示。

試驗(yàn)臺(tái)工作過程中，液壓油作為傳遞能量的介質(zhì)，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，負(fù)載變化較大，會(huì)產(chǎn)生較大溫升。其中，通過主動(dòng)加載或被動(dòng)加載方式模擬負(fù)載的過程，都是通過比例溢流閥的溢流過程實(shí)現(xiàn)的，此過程中是系統(tǒng)油液溫升的主要原因之一。為保證液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作在最理想的溫度狀態(tài)下，需要對(duì)液壓油進(jìn)行合理的冷卻。

如圖1所示，液壓油冷卻系統(tǒng)工作原理為：電機(jī)拖動(dòng)液壓泵從液壓油箱中吸油，經(jīng)單向閥、過濾器輸送至風(fēng)冷式液壓油冷卻器，完成獨(dú)立抽油。液壓油冷卻風(fēng)扇由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，油箱中的溫度傳感器把溫度信號(hào)傳至單片機(jī)，控制比例溢流閥的開度，冷卻馬達(dá)由齒輪泵供油，組成自動(dòng)調(diào)控冷卻回路，從而把溫度控制在30～65℃之間，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)臺(tái)采用HM-46（L-AN32）抗磨液壓油，圖2為其黏溫特性曲線，由圖2可知，油液黏度隨溫度上升而下降；而黏度下降可以降低壓力損失，降低發(fā)熱功率，利于系統(tǒng)溫升的減小。對(duì)于液壓系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的理想工作溫度為35～65℃，此時(shí)油液的黏度、耐磨性和潤(rùn)滑性均處于最佳狀態(tài)，系統(tǒng)傳遞效率最高。

圖2 液壓油黏溫特性曲線

工程機(jī)械液壓冷卻系統(tǒng)一般采用結(jié)構(gòu)緊湊的風(fēng)冷式散熱器進(jìn)行強(qiáng)制散熱，通過散熱器的散熱功率、風(fēng)量之間的關(guān)系為

式中：P為散熱器的散熱功率，kW；qv為流經(jīng)散熱器的風(fēng)量，m3/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）；△t為散熱器進(jìn)出口空氣的溫度差，℃。

通過式（1）可知，散熱器的散熱功率隨流經(jīng)散熱器的風(fēng)量成正比關(guān)系，而風(fēng)量與散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速亦成正比關(guān)系，所以散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了散熱器釋放的散熱功率。

2 可調(diào)速液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)在最佳溫度下工作并達(dá)到節(jié)能的效果，大多數(shù)工程機(jī)械液壓系統(tǒng)采用可調(diào)速靜液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)。目前可調(diào)速靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有兩種形式：一種采用變量泵的電液控制液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)；另一種采用定量泵的旁路節(jié)流調(diào)速液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)。

2.1 變量泵組成的冷卻系統(tǒng)

采用變量柱塞泵的電液控制液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)調(diào)速原理為容積調(diào)速。系統(tǒng)原理如圖3所示。該系統(tǒng)由電機(jī)帶動(dòng)變量柱塞泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇，通過調(diào)節(jié)變量柱塞泵的斜盤傾角，改變泵的排量，從而實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化。控制器根據(jù)安裝在液壓系統(tǒng)的溫度傳感器采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行處理后輸出相應(yīng)的電流控制電液伺服閥的輸出壓力，改變泵的斜盤傾角，從而控制變量泵的輸出流量。故系統(tǒng)輸出流量可通過電液伺服閥進(jìn)行無級(jí)控制。

該系統(tǒng)特點(diǎn)為：反比例控制，即泵的排量隨輸出電流增大而減小；能夠檢測(cè)多點(diǎn)溫度信號(hào)；失效安全功能；冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無級(jí)控制；容積調(diào)速，無節(jié)流損失，更節(jié)能；因采用了變量泵，成本較高。

2.2 定量泵和比例閥組成的冷卻系統(tǒng)

采用定量泵和旁路電磁比例閥組成的電液控制液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)調(diào)速原理為旁路調(diào)速原理，其原理如圖4所示。該系統(tǒng)由電機(jī)帶動(dòng)定量泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇，通過調(diào)節(jié)比例溢流閥，改變流入液壓馬達(dá)的流量，從而實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化。控制器對(duì)安裝在液壓系統(tǒng)的冷卻單元溫度信號(hào)采樣，并對(duì)采樣信號(hào)處理，輸出控制信號(hào)至比例溢流閥調(diào)節(jié)端，改變其溢流壓力，從而控制進(jìn)入液壓馬達(dá)的流量。因此，可以根據(jù)液壓油溫的高低實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的無級(jí)調(diào)速，即油溫自動(dòng)控制。

圖3 變量泵組成的冷卻系統(tǒng)

該系統(tǒng)的特點(diǎn)為：控制簡(jiǎn)單、失效安全功能、冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無級(jí)控制、對(duì)油液要求不高、成本低、因采用了比例溢流閥，調(diào)速過程始終存在溢流損失。目前，國內(nèi)外的中小型工程機(jī)械大多采用此種系統(tǒng)。

圖4 定量泵和比例閥組成的冷卻系統(tǒng)

2.3 可調(diào)速液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)控制原理

該控制系統(tǒng)由油溫變送器、微控單元ECU、液壓馬達(dá)、冷卻風(fēng)扇、散熱器等組成，系統(tǒng)每隔15 s左右采樣一次，將油溫變速器采集到的油溫信號(hào)傳給A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送入微控單元單片機(jī)進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)模擬電信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路，控制比例溢流閥的溢流量或者變量泵的斜盤傾角，調(diào)節(jié)流經(jīng)液壓馬達(dá)的流量，以此實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 冷卻系統(tǒng)散熱特性研究

為測(cè)試兩種冷卻系統(tǒng)散熱特性，以本實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，分別采用兩種冷卻系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)冷卻系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖

表1 液壓試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

本液壓系統(tǒng)冷卻實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度30℃情況下進(jìn)行，液壓試驗(yàn)臺(tái)在室內(nèi)放置，散熱器外置在室外。試驗(yàn)時(shí)，液壓系統(tǒng)模擬某一負(fù)載運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分別進(jìn)行開式系統(tǒng)液壓油缸的主動(dòng)、被動(dòng)加載，液壓馬達(dá)的主動(dòng)、被動(dòng)加載；閉式系統(tǒng)液壓馬達(dá)加載，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 馬達(dá)轉(zhuǎn)速及壓力與比例閥輸入的關(guān)系

圖7 馬達(dá)轉(zhuǎn)速及壓力與變量泵斜盤傾角變化的關(guān)系

液壓馬達(dá)與比例電磁閥并聯(lián)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例電磁閥的電流，控制流經(jīng)馬達(dá)的液壓油流，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，即可控制散熱器散熱效果。從圖6可知，隨著比例溢流閥輸入的PWM信號(hào)的增加，溢流量加大，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速、壓力下降。液壓馬達(dá)與變量泵串聯(lián)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變量泵斜盤傾角的變化，控制流經(jīng)馬達(dá)的液壓油流，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，即可控制散熱器散熱效果。從圖7可知，隨著變量泵斜盤傾角的增大，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速增加，壓力下降，顯示了冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的過程。

液壓系統(tǒng)工作時(shí)，采用兩種液壓冷卻系統(tǒng)的油溫變化如圖8所示，可知：采用定量泵的液壓系統(tǒng)與采用變量泵的液壓系統(tǒng)溫度變化趨勢(shì)相同；在溫變初始階段，定量泵系統(tǒng)因?yàn)楸壤缌鏖y的溢流導(dǎo)致系統(tǒng)油液溫升較快，變量泵系統(tǒng)因?yàn)闆]有多余流量的溢流，系統(tǒng)溫升較定量泵系統(tǒng)慢一些，兩種系統(tǒng)溫度最終穩(wěn)定在（60±1）℃左右。兩種冷卻系統(tǒng)效果相差不大，但變量泵比定量泵價(jià)格高，而且試驗(yàn)臺(tái)的工況、環(huán)境等條件沒有工程機(jī)械惡劣，因此，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用定量泵系統(tǒng)較為合適。

圖8 兩種冷卻系統(tǒng)液壓油溫曲線

4 結(jié)論

本研究以某一工程機(jī)械液壓試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)，分析了其冷卻系統(tǒng)，并提出兩種冷卻系統(tǒng)方案，通過對(duì)兩種方案進(jìn)行分析、比較并進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：兩者溫度變化趨勢(shì)相同；溫變初始階段，定量泵系統(tǒng)相對(duì)變量泵系統(tǒng)油液溫升較快；兩者油溫最終都穩(wěn)定在（60±1）℃。通過本研究，可以有效實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)油溫的控制，并對(duì)企業(yè)今后設(shè)計(jì)制造工程機(jī)械液壓冷卻系統(tǒng)提供參考價(jià)值。

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（編輯 明 濤）

TH 137

A

1002-2333（2015）11-0053-03

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013GZX0151，2014GZ0126）；過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（GK201310）

鄭庭（1988—），男，碩士研究生，主要從事液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究。

2015-06-25