液壓機(jī)冷卻器選型淺析

夏衛(wèi)明，嵇寬斌，楊維民

（江蘇國(guó)力鍛壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

液壓機(jī)在工作過(guò)程中能量的損耗大部分轉(zhuǎn)為熱能造成液壓油溫度升高，油溫過(guò)高則會(huì)引起液壓油黏度、容積效率和液壓系統(tǒng)工作效率均下降，泄漏增加，甚至使機(jī)械設(shè)備無(wú)法正常工作，加速橡膠密封件老化變質(zhì)，壽命縮短，甚至喪失其密封性能，使液壓系統(tǒng)嚴(yán)重泄漏。因此液壓機(jī)常常需要配置工業(yè)冷卻器。

工業(yè)冷卻器種類繁多，有工業(yè)風(fēng)冷機(jī)、工業(yè)水冷卻器、油/水風(fēng)冷卻器、工業(yè)油冷機(jī)、管式冷卻器、板式冷卻器等。而這些冷卻器的冷卻能力表示卻有多種單位制，如：W/℃ 、Kcal/h、W、cal/s、m2等。

冷卻器的選型需要比較專業(yè)的知識(shí)、豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)踐檢驗(yàn)。冷卻器選型計(jì)算對(duì)于不熟悉的工程技術(shù)人員有一定難度，往往容易弄錯(cuò)或選型不當(dāng)（過(guò)大或過(guò)小）。不同類型的冷卻器采用不同單位制表示冷卻能力，往往對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行正確選型計(jì)算造成困難。目前冷卻器的選型方法多為套用以往成功案例，而往往液壓機(jī)的輸入功率發(fā)生了改變，油箱的容積發(fā)生了改變，系統(tǒng)節(jié)流流量不同，液壓機(jī)的工作工況各不相同，則套用以往結(jié)構(gòu)型號(hào)就不適用了。

液壓機(jī)液壓油正常工作溫度一般為15℃～55℃，超過(guò)55℃則自動(dòng)報(bào)警提醒用戶需要打開(kāi)冷卻器，超過(guò)60℃并且持續(xù)5分鐘以上則自動(dòng)停機(jī)。

中小型液壓機(jī)多采用板式冷卻器，性價(jià)比較高。小型液壓機(jī)或系統(tǒng)功率不大的液壓系統(tǒng)采用風(fēng)冷機(jī)或管式冷卻器。大型液壓機(jī)功耗較大，工作速度快，加壓行程長(zhǎng)，系統(tǒng)發(fā)熱量較高，一般配置工業(yè)油冷機(jī)，冷卻效果好，但造價(jià)較高。

因此冷卻器選型往往涉及諸多方面的因素，本文結(jié)合我公司的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行論述，不當(dāng)之處請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

1 油箱自然散熱溫升

對(duì)于工作速度不快的小噸位液壓機(jī)，可以不設(shè)冷卻器，利用油箱自然散熱。可取系統(tǒng)輸入功率的15%～30%作為系統(tǒng)的發(fā)熱量進(jìn)行粗略估算。液壓機(jī)做沖壓工藝可取15%～20%，液壓機(jī)做拉伸工藝可取20%～30%。油箱達(dá)到熱平衡時(shí)，系統(tǒng)的發(fā)熱量與油箱的散熱量相等，系統(tǒng)的溫升為[1]：

當(dāng)油箱的三個(gè)邊長(zhǎng)比在1:1:1到1:2:3范圍內(nèi)，且油位取油箱高度的0.8倍時(shí)，油箱的散熱面積可按下式近似計(jì)算。

由式（1）、（2）可得：

式中：Pi——輸入功率，kW；

K——散熱系數(shù)，kW/（m2·℃）。通風(fēng)條件差：

K=（8～9）×10-3kW/（m2·℃）;通風(fēng)條件良好：K=15×10-3kW/（m2·℃）。

例:某四柱型315t液壓機(jī)，其油箱容積V=1000L，輸入功率Pi=22kW，按沖壓工藝計(jì)算。

此溫升加上環(huán)境溫度，則夏天持續(xù)使用油溫容易超過(guò)60℃，需要配置冷卻器。

2 油箱散熱功率

根據(jù)上文論述，將式（1）進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可得到油箱在一定溫升下的散熱功率。

由上式可知，油溫與環(huán)境溫度的差值越大則油箱的散熱功率越大。如取系統(tǒng)發(fā)熱功率為輸入功率的30%，則系統(tǒng)發(fā)熱功率為：

液壓系統(tǒng)的冷卻功率為：PL=Pv-P油箱

選擇冷卻器冷卻能力稍大于此值即可。

一般可以設(shè)置△T=25℃，則可以得到上文所述油箱的散熱功率為

按上文所述實(shí)例，則：

可選擇冷卻能力略大于此值的冷卻器。

3 幾種冷卻器選型方法

3.1 功率損耗法

此方法根據(jù)油溫的升高來(lái)計(jì)算功率損失，精度較高。可按下式計(jì)算油箱溫升功率。

式中：PV——油箱溫升功率，kW；

C——油的比熱容，C=1.88kJ/（kg·℃）；

ρ——液壓油的密度，ρ=0.915kg/L；

V——油的體積，L；

△T——油的溫升，℃；

t——油溫升高△T=T2-T0的時(shí)間，s；

T0——初始油溫。

則冷卻功率（kW/℃）為：

式中：η——安全系數(shù)η=1.1；

T1——冷卻熱平衡溫度。

可按式（6）選擇冷卻器，略微加大。此方法較為準(zhǔn)確，但存在的不足是在設(shè)計(jì)選擇液壓機(jī)冷卻器時(shí)并不知道用戶的具體工況，因而較難確定油箱的溫升功率。

3.2 輸入功率法

按輸入功率的15%～30%作為系統(tǒng)的發(fā)熱功率來(lái)選擇冷卻器，液壓機(jī)帶拉伸工藝按大者取，沖壓工藝按小者取。此種方法計(jì)算往往比較粗略，沒(méi)有考慮油箱的容積大小，泵、管路、閥塊等的散熱，一般按大者選擇比較安全。

3.3 經(jīng)驗(yàn)類比法

根據(jù)以往成功的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比，可以省去繁瑣的計(jì)算和不同冷卻單位制的轉(zhuǎn)換。我公司在液壓機(jī)冷卻器選擇上積累了很多成功的經(jīng)驗(yàn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也多采用此方法，取得較好效果。

一般如選擇工業(yè)油冷機(jī)，可按系統(tǒng)輸入功率，結(jié)合用戶的工況進(jìn)行估算。經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：PL——萬(wàn)大卡，1萬(wàn)大卡=10000Kcal/h。

如：1臺(tái)45kW電機(jī)，工業(yè)油冷機(jī)冷卻能力可選擇為：

對(duì)應(yīng)連續(xù)的拉伸工藝則需取上限，一般工況可以取下限。如液壓機(jī)只做沖壓工藝，1臺(tái)45kW電機(jī)配1萬(wàn)大卡也可。

對(duì)于多臺(tái)大型液壓機(jī)組成的生產(chǎn)線，例如大型汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線，每臺(tái)液壓機(jī)一般由多組油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)。每臺(tái)液壓機(jī)的完成一道特定工序，汽車覆蓋件生產(chǎn)線一般有5道工序和3道工序的排列，一般如下：

5道工序排列：拉伸→沖裁→局部拉伸→局部沖裁→整形。

3道工序排列：拉伸→沖裁→整形。

汽車覆蓋件液壓機(jī)沖壓生產(chǎn)線，打頭液壓機(jī)噸位一般要大于后面液壓機(jī)，主要做拉伸工藝，因此冷卻器選擇往往需要取上限，對(duì)于深拉伸工藝和自動(dòng)線則還需略微增大比例系數(shù)。其余液壓機(jī)則可以取中間值。

工業(yè)油冷機(jī)一般價(jià)格較高，用戶往往難以承受，此時(shí)可配置板式水冷卻器代替。

水冷卻器的冷卻能力用m2來(lái)表示，其選擇也可以按泵流量來(lái)進(jìn)行估算，經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：AL——水冷卻器的換熱面積，m2；

Qi——泵輸入的流量，L/min。

例：一臺(tái)45kW四級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)160ml/r恒功率變量泵，則對(duì)應(yīng)的板式冷卻器的換熱面積為：

也即1萬(wàn)大卡的工業(yè)油冷機(jī)冷卻能力大約相當(dāng)于5 m2的板式冷卻器換熱面積。

3.4 風(fēng)冷機(jī)計(jì)算

工業(yè)風(fēng)冷機(jī)一般用當(dāng)量冷卻功率來(lái)表征其冷卻能力，可按前文所述的發(fā)熱功率PV進(jìn)行估算。

式中：P——當(dāng)量冷卻功率，W/℃；

PV——油箱溫升功率，kW；

η——安全系數(shù)，η=1.1；

T1——環(huán)境溫度，℃；

T2——油溫期望值，℃。

3.5 水冷卻器計(jì)算

水冷卻器一般采用換熱面積來(lái)表征其冷卻能力，換熱面積的計(jì)算公式：

式中：A——所需換熱面積，m2；

PV——油箱溫升功率，kW；

△T——平均溫差，℃,一般取△T=T1-T2，其中

T1——進(jìn)油口溫度,T2——出油口溫度；

K——傳熱系數(shù)[kW/（m2·℃）]，當(dāng)冷卻水流量小，工作油液粘度高取K=200；當(dāng)一般工作油時(shí)取K=250；當(dāng)冷卻水流量大，工作油粘度低取 K=350～400。

例：估算一臺(tái)45kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓機(jī)液壓系統(tǒng)所需的水冷卻器的換熱面積：

與前文3經(jīng)驗(yàn)估算基本一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述的液壓機(jī)冷卻器選型及相關(guān)的計(jì)算方法基本能滿足液壓機(jī)設(shè)計(jì)中冷卻器選擇的需要。液壓機(jī)冷卻型號(hào)和冷卻能力的選擇需要結(jié)合具體工況才能做到較為準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)中采用經(jīng)驗(yàn)類比法也能較快速準(zhǔn)確的選擇冷卻器的冷卻能力。