斗輪機(jī)散熱裝置的優(yōu)化改進(jìn)

王榮鈞，張 經(jīng)

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)公司 設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司黑岱溝露天煤礦采掘應(yīng)用的斗輪挖掘機(jī)，屬于連續(xù)工藝采礦裝備，主要采排露天礦區(qū)頂部的黃土覆蓋層。該系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來進(jìn)行了諸多適合本土的性能優(yōu)化改進(jìn)，包括斗輪機(jī)在夏季的高溫環(huán)境，液壓系統(tǒng)油溫經(jīng)常過高導(dǎo)致停機(jī)這一疑難故障。

斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)油溫過高故障，特別是夏季故障更為突出，這一故障現(xiàn)象自設(shè)備投入運(yùn)行后就已存在。為此，通過理論分析，對設(shè)備液壓工作原理以及溫升、散熱成因的進(jìn)行研究，通過技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)以安全、實(shí)效、經(jīng)濟(jì)、易操作的方法，最終解決了斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)油溫過高的故障問題。

1 理論分析

機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)工作時，各種能量損失全部轉(zhuǎn)化為熱量。當(dāng)通過油箱、管道等自然冷卻方式不能保證油液溫度低于最高工作油溫時，采取強(qiáng)制冷卻的方法，即通過冷卻器散熱來限制油溫的繼續(xù)升高。

1.1 液壓系統(tǒng)油溫高的危害

在機(jī)械設(shè)備的液壓系統(tǒng)中，油溫過高是較為常見且必須解決的一項故障問題。系統(tǒng)散熱一般分為自動散熱和強(qiáng)制散熱2 種，強(qiáng)制散熱又有風(fēng)冷和水冷2 類型。斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)所采用的散熱為強(qiáng)制風(fēng)冷型散熱技術(shù)。

液壓系統(tǒng)工作溫度一般以30～55 ℃為宜，油溫過高不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對系統(tǒng)的零部件可造成損壞，降低液壓元件的使用壽命。危害主要有：①液壓油黏度、容積效率和液壓系統(tǒng)工作效率均下降，泄漏增加甚至顯著影系統(tǒng)正常性能作業(yè)運(yùn)行；②液壓系統(tǒng)的零件因系統(tǒng)溫度升高過多形成的較大熱膨脹，破壞了相對運(yùn)動原來正常的配合間隙，導(dǎo)致摩擦阻力增加、液壓閥易卡滯的故障現(xiàn)象，同時，系統(tǒng)的高溫使得油膜變薄、機(jī)械磨損增加，結(jié)果造成泵、閥等精密配合面因磨損而使其失效或報廢；③液壓系統(tǒng)的高溫將加速橡膠密封件老化變質(zhì)、壽命縮短甚至密封性能徹底失效，使系統(tǒng)形成嚴(yán)重的內(nèi)外泄漏故障現(xiàn)象；④系統(tǒng)的高溫，使得油液中溶解的水分氣化與析出，液壓系統(tǒng)工作運(yùn)行中產(chǎn)生的穴蝕現(xiàn)象破壞元件；⑤高溫會對油液加速氧化，形成的氧化膠狀沉積物，易堵塞濾油器以及液壓控制閥內(nèi)阻尼、節(jié)流等小孔，造成液壓元件動作失常[1]。

1.2 電控風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)

機(jī)械設(shè)備上常用的散熱系統(tǒng)有回油旁路散熱系統(tǒng)、液壓伺服控制型冷卻系統(tǒng)和電控風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)。由于傳感技術(shù)、微電子技術(shù)及數(shù)字化液壓元件的迅速發(fā)展，對液壓油溫進(jìn)行數(shù)字化實(shí)時動態(tài)監(jiān)控在理論和實(shí)踐上都是可行的和有價值的。

風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)主要由動力源（發(fā)動機(jī)、電機(jī)、液壓馬達(dá)等）、風(fēng)扇、散熱器芯組模塊等組成，通過動力源帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，利用強(qiáng)制對流效應(yīng)作用帶走熱量達(dá)到散熱目的。由于空氣的比熱容大大低于水，所以同樣的熱量，風(fēng)冷方式的散熱需要更大的風(fēng)量[2]。

機(jī)械設(shè)備上使用用風(fēng)冷式散熱，有利于將工作介質(zhì)溫度（油溫）控制在較小的波動范圍內(nèi)，減小因系統(tǒng)中液壓油溫度大幅變化造成泄漏等不利現(xiàn)象，延長液壓系統(tǒng)中介質(zhì)、液壓泵體、閥組、橡膠管及密封的使用壽命，從而提高設(shè)備的工作效率、穩(wěn)定性乃至整套設(shè)備系統(tǒng)的可靠性，同時也有利于實(shí)現(xiàn)整機(jī)的智能化控制。

冷卻風(fēng)扇是散熱系統(tǒng)中的重要組成部件之一，其性能與工作狀態(tài)直接影響著散熱效果。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與介質(zhì)溫度關(guān)系如圖1。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速按線性法則進(jìn)行計算，規(guī)律為：

式中：n 為當(dāng)前風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，r/min；nmin為風(fēng)扇最低轉(zhuǎn)速，r/min；nmax為風(fēng)扇的最高轉(zhuǎn)速，r/min；t 為當(dāng)前冷卻介質(zhì)溫度，℃；tmin為最低設(shè)定溫度，℃；tmax為最高設(shè)定溫度，℃。

在斗輪機(jī)原有液壓冷卻系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)為風(fēng)，但風(fēng)扇實(shí)際的最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速相同。按照風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與介質(zhì)溫度的線性法則規(guī)律，根據(jù)介質(zhì)實(shí)際溫度值分別計算對應(yīng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。采用這種冷卻方法，2個散熱器分別在2 個風(fēng)扇的驅(qū)動下降溫冷卻，因此2 個散熱器性能的匹配非常重要。

圖1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與介質(zhì)溫度關(guān)系圖

冷卻器的散熱功率P2等于系統(tǒng)的發(fā)熱功率P與散熱功率P1之差，所以冷卻器的散熱面積A 為：

式中：△tm為工作介質(zhì)與冷卻介質(zhì)的溫差，℃；t1、t2分別為工作介質(zhì)進(jìn)口與出口溫度，℃；t′1、t′2分別為冷卻介質(zhì)進(jìn)口與出口溫度，℃；P 為系統(tǒng)的發(fā)熱功率，kW；P1為散熱功率，kW；P2為冷卻器的散熱功率，kW；K 為冷卻器散熱系數(shù)，具體可查手冊[3]。

風(fēng)冷式冷卻系統(tǒng)可以解決斗輪設(shè)備液壓系統(tǒng)的散熱需求。從經(jīng)濟(jì)易行、安全實(shí)用的設(shè)計考慮，斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)的散熱選擇電控冷卻方案進(jìn)行解決。電控冷卻系統(tǒng)還有較多的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)成熟，沒有顯著地缺陷，設(shè)計成本相對較小，安裝方便、比較容易實(shí)施等。

2 原因分析

2.1 斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)散熱工況

斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行中，散熱系統(tǒng)有如下工作狀態(tài)：當(dāng)油溫達(dá)到60 ℃時，散熱系統(tǒng)開始啟動，由排量為160 L/min 液壓油散熱泵帶動系統(tǒng)油液循環(huán)，通過系統(tǒng)冷卻器與外界熱交換進(jìn)行降溫；當(dāng)液壓系統(tǒng)的溫度降至40 ℃設(shè)定值時，散熱泵停止運(yùn)行；而當(dāng)液壓油溫高于80 ℃時，設(shè)備設(shè)定的自動保護(hù)系統(tǒng)啟動，這時液壓主電機(jī)動力電源被自動切斷，液壓主泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而散熱液壓泵繼續(xù)運(yùn)行，驅(qū)動液壓油經(jīng)冷卻器散熱，這樣設(shè)備進(jìn)入停機(jī)散熱降溫狀態(tài)。

2.2 斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)形成高溫的因素

斗輪機(jī)由于工作條件的不同，液壓系統(tǒng)形成高溫的原因也不相同，如環(huán)境、作業(yè)狀態(tài)、系統(tǒng)溢流壓力等。

1）連續(xù)工作時間長。輪斗系統(tǒng)正常運(yùn)行的點(diǎn)檢、處理故障時間為每天9:00—11:00，點(diǎn)檢人員檢修任務(wù)完成后設(shè)備再運(yùn)行，在無故障情況下一直運(yùn)行，甚至可以達(dá)到交接班不停機(jī)。由于長時間工作，液壓系統(tǒng)能量損耗（損耗能量轉(zhuǎn)化為熱能）因素累積，導(dǎo)致液壓油溫升高。

2）作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境因素。斗輪設(shè)備以黃土層為采剝對象，環(huán)境因素要求設(shè)備液壓室需要一定的密閉性。這樣，在隔絕外界塵土同時，也同時較大程度影響了液壓系統(tǒng)的散熱過程。

3）液壓系統(tǒng)的溢流損耗。斗輪液壓系統(tǒng)存在最低25×105Pa 的溢流背壓，形成功率能量與熱量的轉(zhuǎn)換，該熱量與設(shè)備作業(yè)時間成正比關(guān)系。

4）液壓系統(tǒng)零部件的機(jī)械損耗。液壓系統(tǒng)中零部件的運(yùn)轉(zhuǎn)磨損，包括齒輪泵的齒輪與泵體和側(cè)板，柱塞泵的缸體和配油盤，缸體孔與柱塞，換向閥的閥桿與閥體等零部件，這些液壓元件的機(jī)械磨損與內(nèi)泄也同樣能夠引起油溫升高[4]。

5）斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)輔助部件，由于原有設(shè)計的不足，也存在不利于系統(tǒng)散熱的因素。液壓油箱的外形尺寸為2 000 mm×1 800 mm×17 000 mm，占據(jù)液壓室近1/3 面積，可存儲液壓油2 000 L。液壓油箱放置在密閉的液壓室內(nèi)，自然散熱受限；散熱器位置擺放不合理，放置于距液壓室墻面約50 cm 地方，空間狹小，加之液壓室內(nèi)空氣流通性差，最終導(dǎo)致系統(tǒng)熱量無法正常排出而出現(xiàn)液壓油高溫現(xiàn)象。

3 優(yōu)化改進(jìn)方案

斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)散熱設(shè)計的不合理是造成高溫的主要原因。通過對設(shè)備作業(yè)環(huán)境、系統(tǒng)的運(yùn)行狀況以及綜合散熱效率、應(yīng)用性及經(jīng)濟(jì)性等多方面考慮，確定對斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)在散熱方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，加裝電控散熱系統(tǒng)，以解決運(yùn)行中液壓系統(tǒng)油溫過高引起的停機(jī)等系列故障。

1）冷卻裝置的選用。首先要求冷卻器安全可靠、有足夠的散熱面積、壓力損失小、散熱效率高、體積小、質(zhì)量輕等[5]。根據(jù)斗輪機(jī)的環(huán)境場所，確定采用強(qiáng)制性風(fēng)冷散熱冷卻方式。散熱裝置有風(fēng)扇動力源為防爆電機(jī)，散熱器為多葉片鋁合金式，另外包括風(fēng)扇、集風(fēng)罩、機(jī)架等。

2）散熱裝置。采用鋁合金材料的散熱器為液壓系統(tǒng)中的重要輔助元件，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①材料質(zhì)輕且柔軟，塑性好；②無接觸熱阻，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，散熱效率高；③強(qiáng)度高（抗壓強(qiáng)度≥25×105Pa），安全性高；④有較強(qiáng)的抗蝕性，元件運(yùn)行壽命長；⑤散熱器內(nèi)外壁采用電解電泳離子氧化處理，氧化層厚度及表面強(qiáng)度增加，防腐能力更優(yōu)。

4 方案實(shí)施

1）材料選配。斗輪機(jī)液壓系統(tǒng)二次散熱的電控冷卻的元器件包括帶地腳螺栓底座冷卻器1 個、電機(jī)及風(fēng)扇各1 個、φ38 mm×1.5 m 和φ38 mm×5 m 的液壓專用軟管（耐壓不低于4 000，1psi=6.895 kPa）各2 根、卡塊式密封聯(lián)接4 套、擋油板1 塊（1 m×1.5 m）。

2）安裝位置。油冷卻器安裝位置的確定，應(yīng)當(dāng)使其與原有液壓系統(tǒng)盡量保持同一水平位置，以減少高位差造成的不必要能量損耗。安裝需考慮以下幾方面因素：①考慮選擇通風(fēng)良好的，能有效進(jìn)行熱交換的空間；②安裝位置避免隱蔽及存在安全隱患的部位，應(yīng)充分考慮便于點(diǎn)檢、維修的位置；③避免遠(yuǎn)離散熱循環(huán)泵，距離過遠(yuǎn)不利于油液的循環(huán)及散熱效果；④由于設(shè)備運(yùn)行過程中抖動、震動較大，油冷卻器的安裝必須牢固可靠，防止其松動造成液壓系統(tǒng)故障[6]。

3）管路鋪設(shè)的設(shè)計要點(diǎn)。在連接液壓管路的施工作業(yè)中，要統(tǒng)籌考慮液壓系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，把控好設(shè)備的安全運(yùn)行，主要注意以下幾方面：①設(shè)計管路布放位置合理，盡可能降低外接管路長度；②管路盡量減少彎度及橫截面的突變，有效減少能量損耗，提高散熱效率；③合理固定管路，避免與設(shè)備構(gòu)件的尖銳棱角直接接觸，防止設(shè)備運(yùn)行中因振動產(chǎn)生的管路磨損現(xiàn)象[7]。

4）根據(jù)斗輪機(jī)的實(shí)際狀況，加裝的散熱冷卻器選擇確定于設(shè)備液壓室與電氣室的中間空位，即配重平臺的下方。選取該位置是避開了陽光的照射和采掘物料的直接灑落，具有較好的通風(fēng)性。此位置也是該設(shè)備電氣滑動變電阻的散熱部位。安裝中出于安全因素，在液壓散熱器與變電阻之間設(shè)置1 件擋油板，以防止出現(xiàn)可能性的泄漏油液，因噴濺至電氣件而引發(fā)意外的事件。

5 改進(jìn)后效益情況

斗輪機(jī)的液壓系統(tǒng)高溫故障，特別是在夏季表現(xiàn)更為明顯，當(dāng)環(huán)境溫度在30 ℃連續(xù)運(yùn)行超過3 h設(shè)備就必須停機(jī)散熱，當(dāng)設(shè)備使用起臂采掘方式時液壓溫度升溫更快。在準(zhǔn)格爾的年度高溫季節(jié)中，白班全負(fù)荷每作業(yè)3 h 則需停機(jī)降溫1 h 左右。每臺斗輪機(jī)理論設(shè)計生產(chǎn)能力為3 100 m3/h，實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)到2 000 m3/h 以上，夏季每個生產(chǎn)圓班因系統(tǒng)高溫停機(jī)1.5 h 以上，以準(zhǔn)格爾當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，每年以1.5 個月的環(huán)境高溫期計算，因為液壓油溫過高引起的設(shè)備停機(jī)時間，每臺輪斗每年超過60 h，影響產(chǎn)量在12 萬m3以上。

黑岱溝露天煤礦的輪斗系統(tǒng)運(yùn)行成本，根據(jù)歷年統(tǒng)計，為3.38～2.49 元/m3，斗輪機(jī)液壓高溫故障的徹底解決，每臺輪斗可創(chuàng)造產(chǎn)值近30 萬余元/a，運(yùn)行的2 臺斗輪機(jī)每年多創(chuàng)造產(chǎn)值超過50 萬元。

6 結(jié)語

斗輪機(jī)的液壓系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)在優(yōu)化改進(jìn)后，經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行觀測，設(shè)備液壓系統(tǒng)的油溫基本保持在50 ℃左右，即使在夏季的高溫環(huán)境下，系統(tǒng)的油溫也不超過60 ℃，改進(jìn)效果顯著，徹底解決了斗輪機(jī)存在多年的液壓油高溫故障，該項技改實(shí)施的經(jīng)濟(jì)與社會效益顯著。