液壓系統發熱及降溫措施

摘要：描述了液壓系統發熱而產生的危害，分析了液壓系統熱量的來源，提出了保證液壓元件正常工作而采取的針對性降溫措施.

關鍵詞：液壓系統，發熱，降溫

ABSTRACT：Describe the harm caused by the hydraulic system heating，analysis the source of the heating.Take effective measures to guarantee the hydraulic components in its normal condition.

KEYWORDS：hydraulic system，heating，lower the temperature

引言

工程機械液壓系統的油溫一般控制在30～60度，最高不超過60～70度，此溫度下工作效率最高，但液壓系統經常因油液發熱出現工作性能差，甚至故障。

1.液壓系統發熱所造成的危害

液壓系統發熱是捆擾液壓系統正常工作的重要問題之一。溫升不僅使液壓系統泄露增大、容積效率下降，而且使控制元件的性能發生變化。比如，由于油溫上升引起油液黏度降低，導致溢流閥錐閥阻尼降低，使錐閥穩定性變壞，引起自激振蕩噪聲。溢流閥產生高頻嘯叫，使溢流閥不能正常工作。溫升還使油液及液壓系統中的橡膠密封圈軟管等加快老化，影響其使用壽命。此外，溫升會引起機械結構的熱變形造成機械卡死和破壞已有的精度。

具體表現為：

⑴ 機械產生熱變形，液壓元件中熱脹系數不同的運動部件因其配合間隙變小而卡死，引起動作失靈、影響液壓系統的傳動精度，導致部件工作質量變差。

⑵ 使油的粘度降低，泄漏增加，泵的容積效率和整個系統的效率會顯著降低。由于油的粘度降低，滑閥等移動部件的油膜變薄和被切破，摩擦阻力增大，導致磨損加劇。

⑶ 使橡膠密封件變形，加速老化失效，降低密封性能及使用壽命，造成泄漏。

⑷ 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。

⑸使油的空氣分離壓降低，油中溶解空氣逸出，產生氣穴，致使液壓系統工作性能降低。

2.液壓系統中產生熱量的來源

液壓系統在實現能量轉換與傳遞過程中，系統的阻力必然要消耗一部分能量，能量的損失表現為流量和壓力損失。流量損失是指由壓差與間隙引起的液壓油泄露。泄露使有效流量減少、容積效率降低。泄露量與壓差的乘積即為功率損失。由功率損失轉換為熱量。使液壓系統溫度升高。壓力損失是指因液壓油的粘性阻力和流經局部障礙時產生的壓力降。前者被稱為沿程壓力損失，它是由液壓油流動時的內摩擦引起的；后者稱為局部壓力損失，是由液流方向或流速等的突然變化，在局部區域內形成漩渦，使質點相互碰撞和劇烈摩擦而引起的。壓力損失使功率消耗增加，有效輸出能量減少。由壓力損失引起的功率損耗轉變為熱量，也會使液壓系統溫度升高。

歸納后可以分為以下幾類：

2.1 系統自身原因

⑴ 油箱容積太小，散熱面積不夠，未安裝油冷卻裝置，或雖有冷卻裝置但其容量小。

⑵ 按快進速度選擇油泵容量的定量泵供油系統，在工作時會有大部分多余的流量在高壓下從溢流閥溢回而發熱。

⑶ 系統中卸荷回路出現故障不能卸載或卸載時間短，停止工作時油泵不能卸荷，液壓泵輸出功率增大，泵的全部流量在高壓下溢流，產生溢流損失而發熱，導致溫升。

⑷ 液壓管道、管接頭、油濾和各種元件的阻力壓降，如系統管路過細過長，彎曲過多，局部壓力損失和沿程壓力損失大。

⑸ 元件多或設計流量小，或精度不夠及裝配質量差，或長時間高壓卸載，節流堵塞，相對運動間的機械摩擦損失大。

⑹ 配合件的配合間隙太小，或使用磨損后導致間隙過大，內、外泄漏量大，造成容積失大，如泵的容積效率降低，溫升快。

⑺ 液壓系統工作壓力調整得比實際需要高很多，壓力閥調壓高或有故障，有時是因密封過緊，或因密封件損壞、泄漏增大而不得不調高壓力才能工作，也將導致油溫升高。

2.2 系統外部原因

⑴ 氣侯及作業環境溫度高或另有熱源，冷卻效果差或散熱不良，造成吸熱和發熱大于散熱，油溫必然升高。

⑵ 選擇油液的粘度不當，粘度大粘性阻力大，粘度太小則泄漏增大；或者油液已經污染，均能造成發熱溫升。

應該講造成系統發熱的原因比較復雜，涉及面廣，其根本原因是液壓系統功率損失大，液壓系統設計不當。另外，液壓系統中相對運動元件的機械摩擦也是油溫升高的另一個原因。

3.液壓系統熱量來源計算

（1）液壓泵的機械損失和容積損失P1

（1）

式中：Ti—— 工作循環周期（s）

n —— 投入工作的液壓泵臺數

Pλi——液壓泵的輸入功率（W）

ηM——液壓泵的機械效率

ηQ——液壓泵的容積效率

ti —— 各泵工作時間（s）

當油溫正常時，ηM和ηQ均能按設計的效率運行，且能保證系統的溫升在一定范圍內，如果由于其他原因使油溫升高或者油質變壞、油泵的磨損都將會使液壓泵的機械效率和容積效率降低，如果系統還能正常的話，液壓泵的輸入功率Pλ必然增大，泵的損失將加大，這部分損失絕大部分轉化為熱量，更加劇了油溫的升高，不能維持原因的平衡。

（2）溢流閥、液壓元件及管路的功率損失P2

（2）

式中：Tj——工作周期（s）

K——元件或管路數

ΔPj ——通過各元件或管路的進出口壓差（Pa）

Qj ——通過各元件或管路的流量（m3/s）

tj——各元件工作時間（s）

正常工作時，P2變動不大，但如果油質變壞、變臟或濾油器未經清洗均會使ΔP加大，由于Qj和tj的乘積不會變（因工作部分必須達到要求），從而引起P2的加大，也就加大了油液的溫升，而且溢流閥是元件中功率損失最大的元件，其ΔP最大。

（3）執行元件的功率損失P3

（3）

式中：Tj——工作周期（s）

K——執行元件個數

Pi ——各執行元件的工作油壓（Pa）

Qi ——各執行元件所需流量（m3/s）

ηi——液壓泵的容積效率

ti——各元件工作時間（s）

由（3）式可以看出，任何一個元件的工作油壓的提高，均會降低機械效率，損耗的能量均會提高油液的溫度。

（4）內泄露功率損失P4

內泄露（除正常的允許泄露外）的增加將極大的加大功率損失，使油溫升高，可由公式（2）進行計算。內泄露時，油液從工作油壓變為回油油壓其差ΔPj很大，泄露量Qj隨情況而變，而tj為具有壓差的工作時間，泄露處越多，量越大，能量損失越大，油溫越高。

（5）液壓系統的總發熱量P

P=P1+P2+P3+P4。

這四部分熱量積聚在一起，會使油溫迅速升高，為了不影響元件正常工作，必須采取降溫措施。

4.降溫措施，針對性的措施有主動和被動兩種

4.1 主動降溫：

主動降溫措施是提高系統的總效率。在設計液壓系統時，力求減少系統壓力和體積損失，要注意選用高效率的液壓元件。

（1）選擇過濾器時，流量和過濾精度選擇不當會造成系統壓差太大產生熱量使整個系統發熱。

（2）合理選擇油管內徑，盡量減少油管長度和彎曲處。

（3）在調速回路設計中，應避免將節流閥設置在液壓缸的進油端，形成進油節流調速，這樣會使系統能量在節流中轉換成熱量，油溫升高。一般在不強調特定要求的情況下，選用變量泵定量馬達、定量泵變量馬達和變量泵變量馬達等容積式調速回路中與工況相適應的一種，因為容積式調速回路的一個顯著特點是溫升低、效率高。

（4）對于要采用背壓閥的液壓系統，設計中可以在液壓馬達上加裝具有背壓功能的控制閥，這樣可以減少壓力損失，進而提高了系統效率。

（5）對于采用定量泵的液壓系統，加一蓄能器可以有效地控制油溫。蓄能器可以作為液壓泵停止供油時的備用或輔助動力源，也可以用于制動系統的保壓，并補充系統的泄露。

⑹采用限壓式變量泵作為動力元件也可以有效地控制油溫。因為系統中壓力如果超過泵的設定值，泵的輸出量就會趨于零，用來補充泵的泄露，以維持系統壓力。

⑺盡量避免油液的污染，經常檢查油液質量及配合面，管接頭的密封，加入油箱的油要進行過濾，除去雜質。

4.2 被動降溫：

被動降溫措施主要是加強散熱和冷卻。

⑴ 散熱

在液壓系統中，系統產生的熱量一般都靠油箱、元件及管件表面來散熱，但是單靠這些是遠遠不夠的，所以可以適當加大他們的表面積。而液壓油溫的有效控制是系統正常工作的基本前提，故專用的冷卻裝置及相應的冷卻回路在大多數工程機械的液壓系統中成為不可或缺的環節。這些系統和回路包括：回油旁路散熱系統，控制系統供油泵散熱，液壓伺服控制型冷卻系統，電力冷卻系統等等。

⑵ 冷卻

目前的冷卻措施一般都是強制加在系統中的，常見的有水冷、風冷和加裝油冷卻機方式。

水冷方式就是在液壓系統回油管路上加水冷卻器。按散熱效果分主要有多管式、翅片管式、滾牙管式等。

風冷方式比較簡單。將熱油引入冷卻器，經過高導熱性銅管和高效鋁翅片將油液中的熱量傳遞到換熱器表面，被風機產生的循環空氣帶走，使油液溫度降低。

風冷冷卻效果不及水冷。但是在某些情況下，例如在野外工作的08-32搗固車，攜帶水不太容易，不可能及時地更換冷卻水，因此冷卻完系統的水必須經過再一次冷卻才可以重復使用，所以水冷并不可行。而盡管風冷的冷卻效果（主要通過電扇）不如水冷，但考慮到08-32搗固車的工作環境，風冷仍然是較好的選擇。這種方式要選擇它的電扇的能量來源：一個是電機驅動，另一個是油泵驅動。電機驅動的話，系統必須要有足夠的電能。但在實際情況下，往往用油泵來驅動。

加裝油冷卻機。這種冷卻方式比較可靠，對油溫可實現自動控制。它主要由油泵、蒸發器、壓縮機、冷凝器、風扇電機等組成。根據溫度控制方式有室溫同調型和溫度固定型兩種。

另外，若是周圍環境溫度過高使系統溫度升高，則要利用隔熱保溫材料、反射板等，使系統與外界熱源隔絕。

液壓系統的控制受到多方面的影響，我們相信隨著科學技術的發展，將有更多更好的液壓油溫控制方式出現，統籌兼顧把對系統溫升的影響降到最低，最終找到一個高性能、穩定又經濟的方案，徹底解決液壓系統中發熱問題。

5.結束語

本文描述了液壓系統發熱所產生的危害，分析了液壓系統發熱的原因，提出了兩種的降溫措施：主動降溫和被動降溫。

⑴ 主動降溫：主動降溫措施是提高系統的總效率。在設計液壓系統時，力求減少系統壓力和體積損失，要注意選用高效率的液壓元件。

⑵被動降溫：被動降溫措施主要是加強散熱和冷卻。

參考文獻：

[1]路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2003.

作者簡介：

屈健（1980.10）男，工程師，2004年畢業于中南大學機械設計制造及其自動化專業，學士學位。