液压凿岩台车油箱改造及热平衡计算分析

吴相斌

(中铁隧道集团隧道设备制造有限公司，河北三河 0 65201)

0 引言

中铁隧道集团专用设备中心修造厂原存放一台山特维克(原汤姆洛克，已被山特维克收购)三臂门架式液压凿岩台车，该台车是汤姆洛克(洛阳)机械有限公司比照同类台车加工制造的门架式液压凿岩台车，其工作臂的工作原理、主要结构基本上与轮胎式台车相同。该门架式液压凿岩台车为轨行式三臂一篮，未曾使用，以散件的形式存放在库房。为使他们发挥应有的作用，公司以有限的投入购买了二手底盘，采用技术改造的方法对闲置设备进行适当的改造和系统集成升级，这样不但可以缓解公司的资金压力，增加公司的台车资源，同时也增强了技术储备。

在长大铁路、公路隧道施工中台车使用越来越广泛［1］，前人主要在台车设备管理、施工、使用、维护和保养及改造等领域做了大量的探索研究。在设备管理方面，康宝生［2］分析总结了台车施工过程中的综合数据与使用经验，探索了影响凿岩台车机械化施工的关键因素，并提出了提升台车设备管理的思路;在施工方面，文献［3-5］从项目管理者与施工者的角度出发，研究并总结了不同地质条件下凿岩台车的施工方法与工艺，获得了宝贵的施工经验，一定程度上提升了机械化施工技术水平;在设备维护和保养方面，文献［6-8］总结了凿岩台车使用过程中的故障现象，并分析故障原因，探索解决设备故障的方法，为设备的良好运作提供了有力保障;在台车改造方面，文献［9-10］通过技术改造，增强了凿岩台车的个别功能，提升了凿岩台车对施工现场的适用性。

前人所做的大量工作中，针对凿岩台车液压油箱改造的研究尚不多见。本文主要介绍了凿岩台车液压油箱的改造原因、改造依据，以及热平衡计算分析过程，通过采用理论计算的方式论证了油箱改造的合理性。不仅解决了凿岩台车改造过程中液压油箱的安装问题，而且为其他类似设备油箱改造及系统集成提供了经验与思路。

1 改造原因

液压油箱主要是储存油液，此外还具有散发油液中的热量(在周围充气温度较低的情况下则是保持油液中热量)、释放混在油液中的气体及沉淀油液中污物等作用。液压泵站有整体式和分离式2种。整体式泵站将油泵内置于油箱，这种泵站结构紧凑，各处漏油易于回收，但增加了设计和制造的复杂性，维修不便，散热条件较差，且会使油泵产生热变形。分离式泵站单独设置，油箱与液压油泵分开，减少了油泵发热和液压振动，因此得到了普遍的采用。

门架式台车采用的液压油箱是3套整体式泵站，油箱的长×宽×高为770 mm×560 mm×810 mm，电机安装在液压油箱上部，油泵内置(见图1)。原门架式台车体型巨大，3套泵站有足够大的空间安装。但轮式台车系统集成度高，空间尺寸有限，这3套整体式泵站均不具备直接使用的条件。

购买的轮式台车底盘上装有一个分离式液压油箱(见图2)，计划通过改造与集成的方式将门架式台车的电机油泵与轮式台车的液压油箱组合使用，这样能够节省台车的安装空间，优化台车的整体布置。通过机械改造的方式，可以实现电机油泵与液压油箱的改造，但其安装后油箱的容量是否满足要求，系统的散热性能是否受到影响是改造成败的关键问题。本文将重点对容量与系统热平衡进行计算分析。

图1 整体式液压油箱Fig．1 Ⅰntegral hydraulic oil tank

图2 分离式液压油箱Fig．2 Separate hydraulic oil tank

2 液压油箱改造容量论证

轮式台车自带油箱总容量为625 L。门架式台车工作泵站有3个，每个油箱的大小为770 mm×560 mm×810 mm，则油箱容积为330 L，而泵站内置，需减去油泵体积，约270 L，总体容积大于轮式油箱的容积。故需要对改造后的液压油箱容量进行论证。

2．1 从液压执行件及设计角度考虑油箱容量

2．1．1 液压执行件最大储油量

液压凿岩台车有 2个 ZRU1000大臂、1个ZRU1400大臂和1个吊篮臂。以ZRU1000为例，分别计算各个油缸的最大容量，即活塞杆全部伸出后油缸所能容纳油的体积。

式中:Vmax为油缸的最大容积，L;d为活塞直径，mm;h为油缸行程，mm。

根据式(1)分别计算各个油缸的最大储油量。

1)小臂举升油缸。活塞直径125 mm，活塞杆直径50 mm，h=320 mm，则 Vmax=3．93 L。

2)大臂伸缩油缸。活塞直径80 mm，活塞杆直径50 mm，h=2 000 mm，则 Vmax=10．05 L。

3)锚杆油缸。活塞直径125 mm，活塞杆直径50 mm，h=320 mm，则 Vmax=3．93 L。

4)小臂摆动油缸。活塞直径125 mm，活塞杆直径50 mm，h=290 mm，则 Vmax=3．56 L。

5)大臂摆动油缸(上)。活塞直径125 mm，活塞杆直径50 mm，h=490 mm，则 Vmax=6．01 L。

6)大臂摆动油缸(下)。活塞直径125 mm，活塞杆直径 50 mm，h=490 mm，则 Vmax=6．01 L。

7)大臂举升油缸。活塞直径410 mm，活塞杆直径110 mm，h=670 mm，则 Vmax=10．27 L。

8)推进梁伸缩油缸。活塞直径55 mm，活塞杆直径32 mm，h=1 350 mm，则 Vmax=3．2 L。

ZRU1000总容量等于上述容量总和，约50 L，以此类推ZRU1400大臂的执行件储油量为70 L，吊篮臂的最大储油量为40 L。故3条臂的液压油储油总量为210 L。

2．1．2 油管及阀组内油液容量

整车油管较多，故闲置时需要储存大量液压油，以下粗略估计用油量。执行件钻机的用油量很大，但是储油量很小，将其闲置时的用油量粗略估计到油管中。同样适用式(1)分别计算各种规格液压油管的储油量。

1)2 寸管，L=3 m，1 根，计算得 V=5．9 L;

2)11/4寸管，L=4 m，8根，计算得V=36 L;

3)1寸管，L=4 m，10根，计算得 V=20 L;

4)1/2 寸管，L=4 m，40 根，计算得 V=20．3 L;

5)3/4寸管，L=4 m，30根，计算的V=34 L;

6)1/4寸管，L=4 m，40根，计算得V=5 L;

7)3/8寸管，L=4 m，200根，计算得V=61 L;

故总容量约为=182 L。

在所有液压元件装满油液后，估计用油总量为210+182=392 L，小于油箱低位时的储油量，能够满足设计手册的要求。

2．2 油泵及油箱液面变化分析

3组三联泵耗油量为438 L，则油箱容量除以油泵每分钟的排量所得系数为1．43(即625/438)，符合移动机械1～3的系数。

油管和阀组内的油在初次调试时就会充满，最后所有油缸缩回时，就是油箱最高液面，再适当的添加新油即可。液面变化量主要取决于油缸，以ZRU1000大臂油缸为例，计算所有油缸液压油变化量。V=πD2/4×h×10-6。 (2)式中:V为油缸液压油变化量，L;D为活塞杆直径，mm;h为油缸行程，mm。

1)活塞直径125 mm，活塞杆直径50 mm，h=320 mm，则 V=0．63 L。

2)活塞直径80 mm，活塞杆直径50 mm，h=2 000 mm，则 V=3．9 L。

3)活塞直径140 mm，活塞杆直径110 mm，h=667 mm，则 V=6．3 L。

4)活塞直径55 mm，活塞杆直径32 mm，h=1 350 mm，V=1．1 L。

上述油缸引起的容积变化为:(0．63×6+3．9+6．3+1．1)L=15．1 L，由此可以看出在正常使用时液面变化不大。故油箱容积满足使用要求。

2．3 油箱容量计算结果分析

综上所述，从油箱储油量与油箱使用2方面论述可得出:现有轮式台车上的液压油箱容量能够满足使用要求。

3 热平衡计算

液压凿岩台车的工作液压系统主要包括动力元件、控制元件、执行元件及辅助元件，将各个部分组合到一起才能构成完整的液压系统。冷却器属于液压系统的辅助元件，其合理选用对于系统的集成改造至关重要。此次液压凿岩台车选用的冷却器是3台GLC 3-4列管式油冷却器，冷却面积4 m2，公称压力1．6 MPa，工作温度≤100℃。该冷却器为门架式台车所用，现用于改造后的轮式台车，需要验证其系统匹配性。

3．1 系统发热功率

根据液压系统发热功率

得:H=45×103×3×(1-0．9×0．95×0．6)=66 kW。

式中:H为系统发热功率，kW;Np为输入总功率，W;np为泵的效率，取0．9;nc为液压回路效率，取0．95;nm为执行元件效率，凿岩机为0．6。

3．2 油箱本身散热功率

HS305T液压系统油箱散热面积为4．3 m2，根据油箱散热公式

得:H0=9×10-3×4．3×(55-35)=0．774 kW。

式中:H0为散热功率，kW;K为油箱散热系数，取9×10-3kW/(m2·℃);A为油箱散热面积，取4．3 m2;t1为系统中温度，取55℃;t2为环境温度，取35℃。

因台车油箱本身散热功率很小，故不考虑其散热影响。

3．3 水冷却器散热功率

得:H=9．5×1 000×4 186．8×5=198 873 000 J/h=55．24 kW。

式中:Qa为冷却水量，m3/h;ρk为水密度，1 000 kg/m3;Cp为水比热容，4 186．8 J/(kg·K);Δt为进出水温差，为5℃。

计算得知，系统发热功率为66 kW，水冷却器散热功率为55．24 kW，则原设计中冷却水的流量不能满足要求，若要满足式(3)计算得出的66 kW的系统发热功率，需要增加水泵排量。根据总发热功率要求，由式(5)可得:

则需要冷却水泵流量至少为11．5 m3/h。台车改造实际使用的增压水泵额定流量为17．5 m3/h，完全满足使用要求。

3．4 冷却器所需散热面积

取冷却器进油温度t1为75℃，出口t2为55℃，进水温度t3为25℃，出水温度t4为30℃。根据

得:A=66 000/(300 ×37．5)=5．9 m2。

式中:Δτ=［(t1+t2)-(t3+t4)］/2;k为散热系数，取300 W/(m2·℃)(数据来源于姜堰凯瑞机械制造厂生产的同等类型的冷却器散热系数)。

实际冷却器的散热面积为:4 m2×3=12 m2，故冷却器的散热面积完全满足散热需求。

4 结论与体会

液压凿岩台车改造后按照科研项目流程进行了严格的工厂与工业试验，组装后的设备如图3所示。

图3 组装后效果图Fig．3 Reformed rock-drilling jumbo

试验结果表明:

1)在三臂同时工作时，液压油位于油位计的中位;在工作停止，大臂回收时，液压油不超过液压油箱的高位。试验证明经改造后的油箱容量可满足使用要求。

2)钻孔工作时其液压油温度未超过75℃，证明其冷却性能良好，可满足使用要求。

改造后油箱成功应用表明，在对设备进行系统升级或改造时，应对其适用性进行充分论证，做好充足的前期准备工作，得到详实的计算数据，才能为后续工作打下良好的基础，做到理论为实践服务。

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