閉式液壓系統內部油溫的測算
來源:無錫市氣動元件總廠.無錫市氣動集團公司
2009年02月13日 15:07
液壓系統內部油溫是決定系統工作壽命,甚至能否正常工作的重要因素之一。由于液壓系統特別是閉式液壓系統內部工作油溫不易測量,因而在實際使用中往往通過測定液壓油箱的油溫來判定系統內部的工作油溫是否超限。實踐中筆者發現這種方法存在著問題,其原因是閉式液壓系統內部油溫與油箱油溫之差并非常值,而是隨著系統的功率變化呈現一種函數關系,因此并不能簡單地根據油箱油溫來判斷系統內部油溫是否正常。下面通過計算來說明這一問題。
1 系統發熱量
在閉式液壓系統中,由于內部泄漏及運動部件摩擦力的存在,會導致一部分系統功率損失,這一部分損失的功率會轉化成熱量被系統的油液及元器件所吸收,使系統溫度升高。根據能量守恒定律,系統損失的功率將全部轉化成熱量,即系統的損失功率為系統的發熱功率。如果設系統的功率為P,總效率為η,系統的總發熱功率為Pt,則有
Pt=P(1-η) (kW) (1)
P=LΔP/60 (kW) (2)
Pt=LΔP(1-η)/60 (kW) (3)
式中:L為系統的流量,L/min;ΔP為系統的工作壓差,Mpa。
2 系統散熱量
閉式系統的發熱量主要通過補油泵補入系統的涼油置換熱油而帶走。如果不計系統元器件的表面散熱,則單位時間補入系統的涼油與系統內熱油達到熱平衡所吸收的熱量即為系統的散熱功率。
通常閉式系統的補油流量l與系統的流量L之間有一個確定的比例關系,即l=KL;式中K為補油系數,一般在0.15~0.25之間。如果系統補入的涼油與系統內熱油溫差為Δt,則每秒鐘補入的涼油吸收的熱量就是系統的散熱功率,即
θ=lρCpΔt/60=KLρCpΔt/60 (4)
式中:θ為系統散熱功率,kW;ρ為液壓油容重,kg/L,取0.85;Cp為液壓油比熱,kJ/kg * ℃,取2.15。
3 系統內油溫測算
在液壓系統中,當系統的總發熱功率等于系統的總散熱功率時,系統處于熱平衡狀態,這種狀態是閉式液壓系統持續正常工作的必要條件。也就是說要使閉式液壓系統能夠持續正常工作必須有Pt=θ,由式(3)、(4)有KLρCpΔt/60=LΔP(1-η)/60,
即Δt=ΔP(1-η)/KρCp (℃) (5)
從公式(5)可以看出,閉式系統內油溫與油箱油溫之差與系統的工作壓力成正比關系。對于給定的閉式系統,其補油系數K和總效率η在正常工作范圍內基本不變,因此系統內油溫與油箱油溫差Δt主要取決于系統的工作壓力,即系統的負荷。
閉式系統內油液的溫度是油箱溫度與系統和油箱油液溫差Δt之和。油箱油溫主要由環境溫度和熱交換器的散熱功率決定,這一溫度一般zui高為60℃~70℃為宜。如果油箱溫度高過這一溫度范圍,則系統的持續工作壓力要相應降低,否則系統內油溫就要超限。
以國內某廠家生產的WB230穩定土拌和機液壓系統為例,該機所選用的A4VG250泵補油系數K=52.5/250=0.21;L5B低速大扭矩馬達要求的zui高使用溫度為85℃;如果取油箱溫度為65℃,則系統與油箱的zui大溫度差應為20℃;取系統的總效率為65%,按公式(5)計算得系統zui高持續工作壓差ΔP≤21.9MPa。這一結果與實測基本符合。實測該系統持續工作壓差超過22MPa時,溫度超過使用極限無法工作。
4 結論
(1) 閉式液壓系統內部油液溫度與補入的低溫油液溫度(油箱油溫)之差與系統的工作壓力即負荷成正比,與補油系數即補油流量成反比。因而不能簡單地根據油箱油液溫度來推斷系統內部的油液溫度,而必須同時考慮負荷和補油流量才能正確地得出結論。
(2) 在進行閉式液壓傳動機器設計時,如果系統負荷大,使用壓力高,則必須相應加大換熱量,即增加低溫補油量來置換出系統內更多的高溫油液,并將其通過散熱器進行冷卻,否則無法解決系統的散熱問題。
(3) 在進行閉式液壓傳動機器使用時,由于補油量已經固定,因此系統內的溫度僅由使用壓力確定。工程機械的外界負荷工況經常變化,其液壓傳動系統壓力多變,因此必須考慮壓力的使用狀況才能根據油箱溫度正確判斷系統內部溫度。在大負荷及高溫天氣下作業時,尤其要注意這一點。