全液壓動臂式塔機起升機構液壓系統發熱仿真分析

費 燁， 劉 海， 王文浩

（沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

全液壓動臂式塔機液壓系統多為閉式系統， 由于閉式系統沒有較大的油箱進行散熱，系統內熱能容易堆積，在重載、連續工作時很容易出現系統溫升嚴重的問題，對于塔式起重機來說，液壓油溫不得超過80℃，相對溫升不得大于40℃。較高的油液溫度，會給液壓系統帶來泄漏量增加、容積效率降低、元件老化和執行元件失效等一系列不利影響，極大影響塔機工作性能和效率[1]。

本文以某型號全液壓動臂塔機起升機構為研究對象，分析工作過程中液壓系統產熱與散熱。 基于AMESim，搭建塔機工作機構液壓系統熱液壓模型，對其發熱進行仿真研究，為塔機閉式液壓系統的設計提供理論指導。

1 起升機構機液一體化模型的建立

本文研究的動臂塔機的起升機構主要由機械裝置和液壓驅動回路組成。 其中，機械裝置包括鋼絲繩、卷筒、滑輪組和吊鉤， 液壓驅動回路為變量泵—變量馬達閉式液壓系統。 液壓驅動回路為工作裝置提供起吊負載的驅動力矩。 工作裝置則將液壓回路傳遞出來的力矩轉換成起吊重物在垂直方向上運動的力。 圖1 為起升機構示意圖，表1 給出了起升機構的總體設計參數。

表1 起升機構總體設計參數

圖1 起升機構示意圖

1.1 起升機構機械模型的建立

利用Solidworks 構造塔機起升機構以臂架為主的機械部分的三維模型，見圖2，根據工程圖建立平面直角坐標系，以動臂和平衡臂的連接點作為原點，利用三維模型確定動臂重心及各滑輪位置坐標， 利用AMESim 平面機械庫中的實體模塊、旋轉副模塊、 零力源模塊等搭建臂架結構件模型；利用卷筒、滑輪和鋼絲繩元件搭建起升機構工作裝置模型， 并通過關節副將機構安裝在結構模型的正確位置上，搭建起升機構平面機械模型，見圖3。

圖2 起升機構簡易三維模型

圖3 起升機構機械模型

1.2 起升機構液壓驅動回路模型的建立

本文涉及的全液壓動臂式塔機起升機構液壓系統由兩個力士樂A4VG180 型變量柱塞泵并聯四個A6VM200型變量柱塞馬達的閉式系統組成，系統采用容積調速，見圖4，各控制閥塊集成在泵和馬達的內部，起升工況時，主泵在柴油機的帶動下，向液壓馬達供油，主泵出油口的高壓油液流入到馬達進油腔， 馬達的出油腔的低壓油液再回流至主泵的進油口，完成油液循環。當起升機構吊載下降，液壓系統承受負值負載時，閉式系統中的馬達相當于泵的作用，負值轉矩通過泵軸傳遞給發動機，發動機對負值轉矩形成阻滯作用，進而保證重物的平穩下放。與主泵同軸的補油泵用于彌補液壓系統工作中的泄漏流量，維持系統的穩定。 高壓溢流閥及壓力切斷閥起到雙重過載保護作用。 起升機構液壓驅動回路主要參數見表2。

圖4 起升機構液壓原理圖

分析該塔機起升機構液壓系統中液壓泵、液壓馬達、液壓閥、管路和油箱等液壓元件的產熱和散熱原理，利用AMESim 仿真軟件中熱液壓庫、THCD 庫、Thermal 庫及平面機械庫分別建立該塔機起升機構液壓系統中個液壓元件的熱液壓模型。 根據全液壓動臂式塔機起升機構液壓原理圖，將建立好的液壓元件熱液壓模型進行組合，搭建出起升機構液壓驅動回路熱液壓模型。

1.3 機液一體化熱液壓模型的建立

起升機構熱液壓回路中， 馬達輸出的轉矩要經過減速器的減速后才能傳遞給起升卷筒， 以獲得較低的轉速和較大的轉矩。 本文涉及的全液壓動臂式塔機起升機構中采用四個減速器作為第一級減速器， 其具體型號為ED2255， 減速比為20.4， 第二級減速器小齒輪的齒數為23，卷筒外緣齒圈齒數為170。 因此采用兩個RN001A 減速器元件將機械模型和熱液壓模型進行連接， 模擬二級減速， 將機械模型作為液壓回路輸入， 代替傳統信號輸入，完成機液一體化模型的搭建，見圖5。

圖5 起升機構機液一體化仿真模型

2 液壓系統熱模型的驗證

動臂起重機起升機構工作主要包括8 個階段， 分別是加速起升、勻速起升、減速起升至停止、懸停制動、加速下降、勻速下降、減速下降至停止和停止待機。 本文設置的起升機構工況是起重量為100t，臂長為35m，臂架幅度為46°，起升機構滑輪組為2 倍率。 起重機帶載加速起升10s，勻速起升115s，減速起升至停止5s，帶載懸停制動90s，加速下降5s，勻速下降115s，減速下降至停止10s，帶載懸停制動90s 為一個工作循環。 連續進行5 個工作循環。 下文均已此工況為背景，進行仿真計算。

2.1 起升機構液壓系統產熱計算

液壓系統的壓力損失轉化為熱能，使油液溫度升高，在起升機構液壓系統中， 主要的壓力損失元件有液壓泵和馬達、液壓閥和管路，下文將從這幾個方面分別進行產熱和散熱計算[2]。

（1）液壓泵和馬達產熱。 液壓泵和馬達在工作過程終不可避免存在機械損失和容積損失，損失的能量最終都以熱量的形式散發出去，使油液溫度升高。泵和馬達的發熱功率為：

P產=（1-ηvηm）p1q1（1）式中：P產—泵和馬達的產熱功率 （kW）；ηm—泵和馬達的機械效率；ηv—泵和馬達的容積效率；p1—泵和馬達的工作壓力，（MPa）；q1—泵和馬達的工作流量（L/min）。

起升機構液壓系統中， 主泵的轉速為2100r/min，排量為180mL/r，機械效率取0.9，容積效率取0.95。 泵和馬達的總產熱功率相等， 由于流量和壓力在不同工作階段數值不同，分段計算后求得平均產熱功率，均為P產1=P產2=32.16kW。 內置補油泵輸出流量為168L/min， 補油壓力2.5 MPa，機械效率和容積效率均取0.95，經過計算補油泵的總產熱功率P產3=0.683kW。

（2） 液壓閥產熱。 起升機構液壓系統中，主要產熱液壓閥為補油溢流閥和液壓沖洗閥，其產熱功率為：

本文涉及的全液壓動臂式塔機液壓系統采用#46 號液壓油，根據經驗公式，額定工況下變量馬達閉式系統的沖洗閥流量為：

2.2 起升機構液壓系統散熱計算

（1） 油箱散熱。 本文涉及的全液壓動臂式塔機液壓系統共用一個油箱，油箱的散熱功率為：

起升機構液壓系統中管路長10m， 采用32mm 外徑的無縫鋼管，壁厚為5mm，換熱系數為15[W/（m2·K）]，經過計算，管路的散熱功率為P散4=0.0151△TkW。

（4） 液壓沖洗閥散熱。 在閉式液壓系統中，液壓沖洗閥的通過流量會帶走大部分熱量， 損失的流量通過補油泵補入，替換為低溫油液，完成閉式系統與油箱之間的熱量循環，對液壓系統溫升起到一定的抑制作用[4]，沖洗閥散熱功率為：

熱力學中，Q=cm△T，可得△T=Q/cm，帶入式（10），得到式（11），其中c—油液的比熱容[取1.8kJ/（kg·℃）]；m—油液的質量，密度取850kg/m3，經計算液壓系統中油液質量為636.5kg。

計算時長s 為2200s，帶入式（12）中，可得總熱量為76234.1kJ，根據△T=Q/cm，可得油液溫升為△T=66.54℃，系統溫度為86.54℃， 仿真的到的溫升83.3℃， 誤差為3.47%，在誤差允許范圍內，故起升機構機液一體化仿真熱液壓模型是正確的。

3 液壓系統發熱仿真分析

3.1 起升機構液壓系統熱分析

對起升機構液壓系統發熱仿真， 得到各元件的產熱曲線，選取單個元件產熱曲線進行分析，圖6 為主泵產熱曲線、圖7 為液壓馬達產熱曲線、圖8 為補油溢流閥產熱曲線、圖9 液壓沖洗閥產熱曲線。

圖6 主泵產熱曲線

圖7 液壓馬達產熱曲線

圖8 補油溢流閥產熱曲線

圖9 液壓沖洗閥產熱曲線

從仿真結果可以看出，各液壓元件中，主泵的產熱量最大，每個主泵平均產熱功率為15.6kW，每個馬達平均產熱功率為7.86kW， 每個補油溢流閥平均產熱功率為2.85kW，每個液壓沖洗閥平均產熱功率為0.87kW，管路產熱功率為總產熱功率的0.03 倍，即2.18kW，與各元件產熱功率計算值一致。

因此主泵和馬達的產熱功率最大， 對液壓系統溫升的影響最大，其次是補油溢流閥、液壓沖洗閥和管路。 但是主泵和馬達產熱是由于機械損失和容積損失造成的，不可避免，只能從其余元件入手進行分析，來減少系統的產熱，增加系統的散熱能力，從而降低系統的溫升[5]。

3.2 油箱及管徑變化對系統溫升的影響

從油箱內油液液面高度及油箱散熱面積兩個方面考慮油箱變化對液壓系統溫升影響， 將油箱內液面高度由600mm 改為700mm，得到液面高度更改前后系統溫度對比曲線，見圖10。 通過油箱外側焊接散熱板的方式使油箱散熱面積為由6.272m2增大10m2至得到系統溫度對比曲線，見圖11。

圖10 油箱液面高度溫升對比曲線

圖11 油箱散熱面積溫升對比曲線

由曲線可知， 增加油箱內部液面高度可以有效降低液壓系統的溫度， 液面高度從600mm 增加至700mm，系統溫度下降7℃。 因此在塔機液壓系統工作過程中，要定期檢測油箱液位高度，保持油液充足，避免由于油液不足造成的溫升過高。受到塔機安裝空間和油箱體積的限制，油箱液位的提高是有限的， 不能夠單純增大液面高度使液壓系統工作在合適溫度。油箱散熱面積從6.272m2增加至10m2，液壓系統溫度僅降低2.4℃，因此通過增加筋板，不改變油箱本身容積的方式來進行散熱效果并不理想。

分析管徑變化對系統溫升的影響其更換為40mm 外徑的鋼管，運行仿真，得到管徑變化前后系統溫度對比曲線，見圖12。 由曲線可知，管路直徑增大后，系統溫度僅下降1.44℃，由此可見，通過增大管徑的方式降低液壓系統溫度的方式效果也不理想， 只能在管路布置中盡量避免直角彎管和管接頭的使用，以此降低發熱量。

圖12 管徑變化溫升對比曲線

3.3 載荷變化對系統溫升的影響

分析載荷變化對系統的影響， 分別將載荷設置為100t、85t 和50t，其他參數保持不變，運行仿真，得到載荷變化前后的液壓系統溫度曲線，見圖13。 由曲線可知，三種不同載荷在五個各種循環后的系統溫度分別為83.3℃、72.1℃和55.4℃，負載越大，系統壓力越大，泄露越嚴重，溫升越高。 因此該塔機吊載100t 時最多只能進行四次工作循環。

圖13 起重量變化溫升對比曲線

4 結論

基于AMESim 軟件建立了國產某型全液壓動臂塔機起升機構機液一體化熱液壓仿真模型， 據此對起升機構液壓系統發熱進行了仿真研究，結果表明：

充足的冷液壓油有利于沖洗散熱，延緩系統溫升；增加油箱散熱面積及增加管路直徑散熱效果并不理想。 因此要定期檢測油箱液位高度，保持油液充足。

塔機在大載荷工況下要嚴格控制連續工作的時間，達到規定時間后進行停機冷卻， 待液壓系統溫度降低到許可溫度后繼續工作。

液壓泵與液壓馬達的產熱非常大，且無法避免，應對其采取專門的散熱措施，從而提高工作效率，延長使用壽命。