拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)油溫控制與改善分析

欒春敏 ，王真真 ，姚 瑤 ，原志華

（第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)可以簡單分成合油系統(tǒng)和分油系統(tǒng)兩種形式[1]。合油系統(tǒng)的拖拉機(jī)，液壓系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)共油，油液既充當(dāng)傳動箱的潤滑油，同時也為液壓系統(tǒng)供油。該結(jié)構(gòu)較為簡單，在目前的拖拉機(jī)中最為常見。分油系統(tǒng)的拖拉機(jī)，液壓系統(tǒng)擁有獨(dú)立的液壓油箱，傳動箱內(nèi)的油液僅給齒輪進(jìn)行潤滑，不參與液壓系統(tǒng)的循環(huán)。

拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)按照其油泵、油缸和分配器等主要液壓元件的布置形式可分為分置式、半分置式和整體式三種類型。拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)按照中位時油液是否通過主控制閥分為開心系統(tǒng)和閉心系統(tǒng)，中位時油液通過主控制閥稱為開心系統(tǒng)，中位時油液不通過主控制閥則稱為閉心系統(tǒng)[2]。常見的拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)主要有開心分置式和開心半分置式兩種。

液壓系統(tǒng)作為拖拉機(jī)田間作業(yè)的核心部件，承擔(dān)著農(nóng)具提升和旋轉(zhuǎn)、潤滑散熱、控制等工作。液壓系統(tǒng)在進(jìn)行能量傳遞時，不可避免會產(chǎn)生一定的能量損失，損失的能量最終將會產(chǎn)生熱量致使系統(tǒng)油溫升高。拖拉機(jī)傳動系工作溫度達(dá)到90 ℃以上時，會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，油液的潤滑效果變差[3]。同時，高溫會加速橡膠、尼龍等密封件和軟管的老化，易造成液壓系統(tǒng)失效。

因此，研究拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)油溫的影響因素，并制定應(yīng)對升溫的措施對拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)正常工作具有重要作用。

1 液壓系統(tǒng)高溫的危害

拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)工作時，油溫不能過低，亦不能過高。油溫過低時液壓油的黏度大，流動性差；油溫過高則會導(dǎo)致液壓油黏度下降，造成系統(tǒng)吸油困難并增加泄漏量。當(dāng)拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)油溫在50 ℃～70 ℃之間時工作效率最高。因?yàn)榇藭r油液的黏度、潤滑性和耐磨性均處于最佳狀態(tài)，系統(tǒng)傳遞效率最高。拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)因工作性質(zhì)的特殊，溫度過高將會引起一系列故障。其主要影響有以下幾點(diǎn)[4-8]：

1）油溫升高使油液的黏度降低，因而液壓元件及系統(tǒng)的泄漏量將增多，從而使液壓泵的容積效率降低。

2）油溫升高使得油液經(jīng)過節(jié)流小孔或隙縫式閥口的流量增大，影響液壓元件工作的穩(wěn)定性，降低工作精度。

3）油溫升高后相對運(yùn)動表面間的潤滑油膜將變薄，增加機(jī)械磨損。

4）油溫過高會加速油液氧化，影響油液的使用壽命。

2 熱源及散熱形式分析

2.1 熱源分析

拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)可簡單分為合油液壓系統(tǒng)和分油液壓系統(tǒng)兩大類。在合油液壓系統(tǒng)中，液壓油在對變速箱齒輪進(jìn)行潤滑的同時也作為液壓系統(tǒng)的油源。分油液壓系統(tǒng)則是使用了獨(dú)立的液壓油箱作為液壓系統(tǒng)油源的存儲容器。針對合油液壓系統(tǒng)，在分析液壓油的發(fā)熱時還應(yīng)當(dāng)考慮變速箱的效率損失所造成的液壓油、液壓系統(tǒng)升溫。

合油結(jié)構(gòu)拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)發(fā)熱來源如下：

1）傳動系齒輪摩擦生熱。變速箱換擋制動片滑摩產(chǎn)生的熱量是液壓傳動系統(tǒng)油溫過熱的一個主要原因。變速箱換擋制動片在開始結(jié)合與開始分離的瞬間有極短時間的滑摩，這是機(jī)械結(jié)構(gòu)無法克服的。這時，液壓傳動油就起到潤滑與冷卻的作用，換句話說，滑摩產(chǎn)生的熱量要傳遞到液壓傳動油中。若滑摩時間過長，液壓傳動油的工作溫度就會迅速升高。

2）齒輪攪油生熱。變速箱內(nèi)齒輪旋轉(zhuǎn)時，帶動空氣進(jìn)入潤滑油，致使變速箱內(nèi)潤滑油產(chǎn)生大量泡沫[9]。液壓泵工作時，會從變速箱內(nèi)吸油，更容易將空氣同時帶入，造成液壓泵潤滑不佳，溫度急速升高，此種情況在合油液壓系統(tǒng)中尤為突出。

3）液壓系統(tǒng)壓力損失做功生熱。液壓系統(tǒng)的發(fā)熱主要由油泵、閥和管路等幾處的發(fā)熱組成。液壓系統(tǒng)中泵的效率損失、管路壓力損失以及液壓元件（如閥、油缸等）的溢流等，都將進(jìn)行做功并產(chǎn)生熱量。系統(tǒng)的熱量大部分被液壓油吸收，并以熱輻射的形式向周圍擴(kuò)散。

液壓油通過管路、閥及附件等沿程損失所產(chǎn)生的熱量為：

式中，H——發(fā)熱量，kcal/h；ΔP——壓力損失，MPa。

分油結(jié)構(gòu)的拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)發(fā)熱則不需要考慮變速箱的發(fā)熱，但當(dāng)傳動系的發(fā)熱量和耗散量差別過大時，需要考慮給拖拉機(jī)變速箱增加散熱裝置。

熱平衡散熱器面積計(jì)算公式為：

式中，A——散熱器散熱面積，m2；H發(fā)——一個周期內(nèi)平均發(fā)熱功率，W；H散——一個周期內(nèi)平均散熱功率，W；K——散熱系數(shù)，一般取21～23；ΔT——溫差，℃。

2.2 散熱形式分析

拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)散熱主要有自然散熱和強(qiáng)制散熱[10]兩種途徑。

自然散熱是指熱量通過拖拉機(jī)變速箱箱體或液壓系統(tǒng)中的油箱或者管路表面向外輻射。

拖拉機(jī)變速箱的壁厚對散熱有一定的影響，壁厚過厚，系統(tǒng)自然散熱效果差，壁厚過薄則會影響箱體的強(qiáng)度。自然散熱不能達(dá)到平衡時則需要給系統(tǒng)加裝散熱裝置進(jìn)行強(qiáng)制散熱。

強(qiáng)制散熱是指給系統(tǒng)增加動力源加裝散熱器，讓液壓油進(jìn)入散熱器進(jìn)行循環(huán)散熱。

3 油溫升高的影響因素

3.1 環(huán)境溫度高，冷卻條件差

冷卻條件不足，是造成液壓系統(tǒng)高溫的主要原因之一。拖拉機(jī)工況惡劣，在合油系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)與傳動系統(tǒng)共用油液，齒輪傳動過程中的效率損失會加速油液升溫。因此，冷卻系統(tǒng)的冷卻性能非常重要，測定此性能的允許環(huán)境最高溫度如下：

式中，Tmax——傳動系允許的最高環(huán)境溫度，℃；T1——傳動系主要箱體內(nèi)潤滑油穩(wěn)定溫度，℃；T1a——傳動系油溫達(dá)到穩(wěn)定時周圍的環(huán)境空氣溫度，℃。T1a在散熱器護(hù)柵前方1 m且距離地面1 m處測定。

適用于溫帶地區(qū)作業(yè)的拖拉機(jī)Tmax應(yīng)不低于40 ℃，適用于熱帶地區(qū)作業(yè)的拖拉機(jī)Tmax應(yīng)不低于45 ℃。

傳動系冷卻條件差，散熱不足，是造成高溫的主因之一。

3.2 清潔度超標(biāo)

油液清潔度是液壓系統(tǒng)的重要指標(biāo)。拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)清潔度超標(biāo)，會使油路不暢，造成閥芯卡滯，使得閥芯開度減小，造成液壓系統(tǒng)升溫加快。因此，完善拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)清潔度標(biāo)準(zhǔn)，通過控制各個零部件的清潔度，進(jìn)而控制整機(jī)油液清潔度。但是，只控制零部件的清潔度是不夠的，液壓系統(tǒng)還需要完善的過濾系統(tǒng)，保證有效過濾整機(jī)工作中產(chǎn)生的各種磨屑和雜物。

3.3 機(jī)械操縱不回位

拖拉機(jī)用于液壓輸出的多路閥多為機(jī)械結(jié)構(gòu)，連接方式為機(jī)械拉桿或者軟軸結(jié)構(gòu)。在使用過程中，操縱機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡滯問題，會使多路閥閥芯不能夠回位，液壓系統(tǒng)長期處在高壓狀態(tài)下，很快就會造成系統(tǒng)高溫，如果不及時解決該問題，還可能進(jìn)一步造成齒輪泵損壞的情況。

3.4 其他影響因素

油液選擇不當(dāng)、油的黏度太高或太低、調(diào)節(jié)的功率太高、液壓系統(tǒng)混入異物引起堵塞等因素，也會導(dǎo)致油溫升高。液壓泵內(nèi)因油污染等原因吸不上油，引起干摩擦，會使泵內(nèi)產(chǎn)生高溫，并傳遞到液壓泵的表面。傳動油過濾器阻塞，油路不暢，流量不足，壓力建立遲緩；油泵排量過大，使溢流量過大；油箱過小，散熱困難；液壓管路管徑小，彎頭多，管道長，無卸荷回路；以上這些也會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量增大。

4 應(yīng)對措施

4.1 減小回油背壓

由本文第二部分的分析可知，液壓系統(tǒng)中回油背壓越小則系統(tǒng)的發(fā)熱量也越少。隨著拖拉機(jī)配套農(nóng)機(jī)具的品種多樣化，為滿足不同的農(nóng)藝需求，很多用戶都要求拖拉機(jī)具備更多的液壓輸出接口。部分機(jī)具在使用液壓輸出時需要液壓系統(tǒng)給機(jī)具常供油。此時，若液壓系統(tǒng)回路是從多路閥油口回油，回油系統(tǒng)需要承受一定的背壓，液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量會不斷上升。在這種情況下，應(yīng)考慮增加零壓回油接口來減少回油背壓造成的系統(tǒng)發(fā)熱。特別是拖拉機(jī)后面掛接的機(jī)具有馬達(dá)時，必須給系統(tǒng)設(shè)計(jì)零壓回路，減小回油背壓。

4.2 選擇適當(dāng)?shù)纳岱绞?/h3>

當(dāng)拖拉機(jī)后方掛接的機(jī)具需要頻繁使用液壓輸出時，系統(tǒng)升溫不可避免，僅僅依靠自然散熱不能滿足系統(tǒng)的降溫需要，此時可考慮增加系統(tǒng)的回油散熱裝置來限制系統(tǒng)升溫。

4.3 控制液壓系統(tǒng)清潔度

生產(chǎn)企業(yè)要從多方面采取措施，控制拖拉機(jī)的清潔度。而作為拖拉機(jī)的使用者，用戶的責(zé)任也很重要，為了延長拖拉機(jī)的使用壽命，用戶需要定期對拖拉機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)。定期清洗或更換濾芯，避免因?yàn)V芯破損或阻塞而導(dǎo)致過濾失效。

保持液壓系統(tǒng)外部和內(nèi)部的清潔，系統(tǒng)外部的污染物會造成隔絕和阻礙正常的油液冷卻，系統(tǒng)內(nèi)部的污染物會引起磨損導(dǎo)致油液泄漏。以上兩種情況都會使散熱效果下降，油溫過快升高。

4.4 優(yōu)化管路設(shè)計(jì)

應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)中的軟管可靠地夾緊和定位，保證軟管尺寸合適，裝配時避免急彎。如果不這樣，會增大油液流動的摩擦力，造成的結(jié)果是油液溫度升高。同時，進(jìn)行管路設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)核算回油管的流速。

4.5 定期檢查及養(yǎng)護(hù)

檢查管路、閥、液壓缸的振動情況，檢查安裝螺栓是否松動。

觀察管路各處（法蘭、接頭、卡套）及閥的漏油情況，可用手摸檢查；保持管路下部清潔，以使簡單觀察即能發(fā)現(xiàn)是否漏油。漏油一般在高溫高壓下最易被發(fā)現(xiàn)。

定時檢查冷卻器，定期對冷卻器除垢。同時，保持箱體、油箱、管路及液壓元件的清潔，清除表面泥土等影響散熱的雜物。

定期過濾或更換潤滑油，避免因潤滑油氧化變質(zhì)而污染整個液壓系統(tǒng)，具體換油周期按照《拖拉機(jī)使用說明書》的要求執(zhí)行。

5 結(jié)語

本文分析了液壓系統(tǒng)高溫的危害，通過對拖拉機(jī)熱平衡影響因素的分析，給出了一些預(yù)防拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)高溫的措施。特別是在用戶使用方面，通過合理的整機(jī)檢查和養(yǎng)護(hù)，能夠有效降低拖拉機(jī)底盤油溫，延長拖拉機(jī)的使用壽命。