三峽升船機對接鎖定機構液壓系統運行溫度分析

李明

摘 要：通過對三峽升船機對接鎖定機構液壓系統組成特點及其運行特性分析，提出了液壓系統運行維護實際中對運行溫度變化的分析需求，結合系統組成特點進行了運行溫度變化理論分析，建立了對接鎖定機構液壓系統的溫度仿真模型，找到了正常運行工藝下對接鎖定機構液壓系統在典型環境溫度下的運行溫度變化規律，為液壓系統的設備運行、維護和優化提供理論參考。

關鍵詞：三峽升船機;對接鎖定機構;液壓系統;運行溫度;AMEsim仿真

中圖分類號：U642? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）09-0080-03

三峽升船機船廂液壓系統共6套，其中4套分別布置在船廂兩側的4個驅動機房內，均分別操作鄰近的一套驅動機構液氣彈簧、一套對接鎖定機構、一套橫導向機構或一套縱導向頂緊機構的液壓設備。其中，液氣彈簧和縱導向頂緊機構運行動作行程和時間較短，且分布于船廂內部，其運行溫度影響較小;橫導向機構在正常狀態下，設計原理決定其運行頻率較少;只有對接鎖定機構的鎖定和解鎖動作耗時較長，特別是解鎖動作原理為，液壓系統按解鎖最大溢流壓力運行，對接鎖定機構的解鎖運行依靠彈簧力進行液壓系統的回油動作，液壓油介質的溫度和粘度會影響其解鎖動作的狀態變化，且對接鎖定機構設備布置的特點，其受環境溫度影響較大。

溫度引起液壓系統運行參數的變化，會導致一系列典型的運行故障，低溫條件下，液壓油液粘度加大，對于液壓系統液壓泵、濾油器等器件產生了不利的運行條件，且粘度加大，還會加大系統的能量損失，是液壓系統需要避免的情況。高溫條件下，液壓油粘度下降，系統容積損失增加，潤滑性能降低，也會影響液壓系統的運行可靠性。

但是，由于液壓系統運行時會有大量產生熱量的環節，系統高壓大流量液壓油經過器件時會產生熱量，系統液壓油高壓至低壓動作也會產生大量熱量，系統運行時的無用功占比仍然不低，液壓系統運行同時具備“加熱”和“散熱”兩種功能，液壓系統運行溫度變化具有一定復雜性。

1對接鎖定機構液壓系統運行特點

目前對接鎖定液壓系統油箱均采用了加熱器和溫度控制檢測裝置相結合的設計布置，在液壓油箱的溫度低于某一要求數值時，啟動加熱器運行，來解決液壓油介質溫度較低的問題。對于高溫條件，系統設計并無單獨散熱措施考慮，主要還是通過液壓油箱、液壓管路、液壓油缸及其與環境之間的散熱。

對于所述的對接鎖定機構液壓系統，其在典型溫度下的運行溫度變化如何：

（1）低溫條件下，當三峽升船機滿計劃連續運行時，系統是否不再需要加熱器，而可以通過系統運行自身產生的熱量滿足油液升溫的需求;

（2）高溫條件下，當環境溫度較高，特別是高溫暴曬的油缸等溫度較高時，系統運行的溫度變化是什么規律。

2 對接鎖定機構液壓系統運行溫度仿真建模

在近似建模中，主要考慮液壓系統兩點，一是認為對接鎖定機構液壓系統運行在封閉系統中，環境在某一段運行時間為定量;二是考慮液壓系統主要通過油箱與外界進行熱交換，油箱與環境進行熱交換的方式主要有熱對流和熱輻射，主要考慮液壓系統的對外散熱。

2.1油箱熱交換分析

熱對流換熱的理論公式為：

注：T1、T2為熱對流兩處的溫度，A為熱對流的橫截面積。

在近似建模時，熱輻射在封閉系統中只區分油箱和環境，熱輻射能量公式為：

注：T1、T2為熱輻射的兩物體溫度，為物體間的等效輻射系數，為斯忒藩-玻爾茲曼常數，A為熱輻射的有效面積。

由AMESim的數學計算模型，油箱的發熱時間計算公式如下：

注：T為設定溫度，T0為環境溫度，k為傳熱系數，A為散熱面積，Q為液壓油比熱，M為液壓油質量，P1為發熱功率，P2為加熱功率，P3為冷卻功率。

油箱的系統熱平衡溫度計算公式如下：

油箱的散熱效率計算公式如下：

2.2溫度模型建模

依據對接鎖定機構液壓系統控制原理，建立如下AMEsim近似模型，主要包含油箱、液壓泵、電機、溢流閥、容積、單向閥、電磁換向閥、油缸等。

2.3模型參數設定

各器件和模型的參數值設置，參照對接鎖定機構液壓系統的組成和運行情況，如下表1所示。

電磁換向閥的運行參數為鎖定和解鎖動作的一個完整運行流程，給定為：完成鎖定動作后，停機10s，再繼續完成解鎖動作。

3仿真結果

3.1低溫環境下對接鎖定機構液壓系統運行溫度仿真

當液壓泵站初始溫度為15℃，液壓油缸初始溫度為0℃時，進行了液壓系統的運行仿真，仿真結果如下：

3.2高溫環境下對接鎖定機構液壓系統運行溫度仿真

當液壓泵站初始溫度為30℃，液壓油缸初始溫度為40℃時，進行了液壓系統的運行仿真，仿真結果如下：

4 分析與結論

（1）由仿真結果，兩種典型環境溫度下，對接鎖定機構一個完整運行流程后，液壓泵站油箱液壓油都有一定程度的溫度升高，但溫度增長不明顯，主要是因為對接鎖定機構的單次運行時間較短。當在實際運行條件下，考慮到管路、器件的散熱因素，和液壓系統的實際溫度模型是非封閉系統，實際的運行溫度上升數值將更小，說明對接鎖定機構液壓系統單次運行對其溫度變化實際影響較小。當環境溫度較低時，需要開啟油箱加熱器對液壓油進行加熱，以保證整個液壓系統液壓油滿足運行要求。

（2）由仿真結果，兩種典型環境溫度下，對接鎖定機構一個完整運行流程后，油缸的液壓油溫度逐漸變化為與泵站油箱液壓油溫度值一致，說明液壓系統運行時的油液交換，對外部環境下的液壓油溫度影響較為明顯。

特別是對于較多管路和油缸布置在外部環境下的液壓系統，在低溫環境較長時間未運行條件下，提前一次完整運行，對解決外部環境液壓油由于溫度較低導致粘度加大而引發一系列運行故障的問題有一定的可行性和預期效果。

參考文獻：

[1]劉海麗，李華聰.液壓機械系統建模仿真軟件AMESim及其應用[J].機床與液壓，2006：129-131.

[2]段飛蛟，曹克強，宋天池，等.基于AMESim的某型飛機液壓系統溫度仿真[J].機床與液壓，2009，37（007）：218-220.

[3]謝三保，焦宗夏.飛機液壓系統溫度仿真計算與分析[J].機床與液壓，2005：71-72+9.

[4]龍藤，劉曉南.仿真實驗：良好散熱型液壓油箱及工況監控研究[J].中國科技信息，2012（7）：144-145.

[5]崔健斌，愈樂.液壓系統設計對液壓油高溫故障的影響[J].現代機械，2012（02）：47-48.

[6]李敏，周黎，高強，等.某特種車液壓系統熱分析[J].導彈與航天運載技術，2017（3）.