工程机械液压实验台冷却系统研究

2015-04-10郑庭贺元成孟志明

机械工程师 2015年11期

关键词：冷却系统试验台液压油

郑庭，贺元成，孟志明

（1.四川理工学院机械工程学院，四川自贡 643000；2.泸州职业技术学院机械工程学院，四川泸州 646000）

工程机械液压实验台冷却系统研究

郑庭1，贺元成2，孟志明1

（1.四川理工学院机械工程学院，四川自贡 643000；2.泸州职业技术学院机械工程学院，四川泸州 646000）

液压油作为液压系统的工作介质，其温度一般在35～65℃比较合理。文中以某工程机械液压试验台为基础，分析了其冷却系统，并提出两种冷却系统方案，一种采用定量泵加比例溢流阀，另一种采用变量泵。通过对两者进行分析、比较并进行试验研究，试验结果表明：两者温度变化趋势相同了；温变初始阶段中定量泵系统相对变量泵系统油液温升较快；两者油温最终都稳定在（60±1）℃，有效实现液压油温度控制。综合考虑，该试验台采用定量泵加比例溢流阀。

液压油；工程机械；试验台；冷却系统；温升

0 引言

液压油作为液压系统中实现润滑摩擦副和传动动力的介质，不仅需要根据使用目的和使用环境慎重选择，而且要保证其工作温度在一定范围内。据统计，液压系统至少有20%的输入功率转化为热量并耗散在液压系统中，最终表现为液压油温的升高，这将导致油液黏度降低、泄漏增加、油膜破裂、气蚀和密封件加速老化等现象，严重影响液压系统性能与可靠性。因此，对液压油冷却方面的研究具有重要意义[1]。

工程机械工况复杂，一般长期以高负荷低转速工作，此种情况下因液压油温过高导致设备无法正常工作，影响施工的情况时有发生。本研究从系统的观点出发，以工程机械液压试验台为出发点，进行液压系统液压油冷却方面的研究。

1 试验台冷却系统分析

本工程机械液压试验台主要进行液压系统方面的研究，是一个集数据采集与控制一体的液压系统，液压系统采用与负载无关的流量分配系统和闭式泵-马达系统；加载系统分别为开式液压缸加载系统，开、闭式马达系加载系统；辅以液压油冷却系统及其控制系统组成。试验台系统原理如图1所示。

试验台工作过程中，液压油作为传递能量的介质，随着实验的进行，负载变化较大，会产生较大温升。其中，通过主动加载或被动加载方式模拟负载的过程，都是通过比例溢流阀的溢流过程实现的，此过程中是系统油液温升的主要原因之一。为保证液压执行机构工作在最理想的温度状态下，需要对液压油进行合理的冷却。

如图1所示，液压油冷却系统工作原理为：电机拖动液压泵从液压油箱中吸油，经单向阀、过滤器输送至风冷式液压油冷却器，完成独立抽油。液压油冷却风扇由液压马达驱动，油箱中的温度传感器把温度信号传至单片机，控制比例溢流阀的开度，冷却马达由齿轮泵供油，组成自动调控冷却回路，从而把温度控制在30～65℃之间，实现温度的闭环控制。

图1 试验台系统原理图

试验台采用HM-46（L-AN32）抗磨液压油，图2为其黏温特性曲线，由图2可知，油液黏度随温度上升而下降；而黏度下降可以降低压力损失，降低发热功率，利于系统温升的减小。对于液压系统来说，系统的理想工作温度为35～65℃，此时油液的黏度、耐磨性和润滑性均处于最佳状态，系统传递效率最高。

图2 液压油黏温特性曲线

工程机械液压冷却系统一般采用结构紧凑的风冷式散热器进行强制散热，通过散热器的散热功率、风量之间的关系为

式中：P为散热器的散热功率，kW；qv为流经散热器的风量，m3/s；ρ为空气密度，kg/m3；Cp为空气的定压比热容，kJ/（kg·℃）；△t为散热器进出口空气的温度差，℃。

通过式（1）可知，散热器的散热功率随流经散热器的风量成正比关系，而风量与散热风扇的转速亦成正比关系，所以散热风扇的转速决定了散热器释放的散热功率。

2 可调速液压驱动冷却系统

为实现液压系统在最佳温度下工作并达到节能的效果，大多数工程机械液压系统采用可调速静液压驱动冷却系统。目前可调速静液压驱动系统主要有两种形式：一种采用变量泵的电液控制液压驱动冷却系统；另一种采用定量泵的旁路节流调速液压驱动冷却系统。

2.1 变量泵组成的冷却系统

采用变量柱塞泵的电液控制液压驱动冷却系统调速原理为容积调速。系统原理如图3所示。该系统由电机带动变量柱塞泵驱动液压马达，液压马达驱动冷却风扇，通过调节变量柱塞泵的斜盘倾角，改变泵的排量，从而实现冷却风扇转速变化。控制器根据安装在液压系统的温度传感器采集到的温度信号进行处理后输出相应的电流控制电液伺服阀的输出压力，改变泵的斜盘倾角，从而控制变量泵的输出流量。故系统输出流量可通过电液伺服阀进行无级控制。

该系统特点为：反比例控制，即泵的排量随输出电流增大而减小；能够检测多点温度信号；失效安全功能；冷却风扇转速无级控制；容积调速，无节流损失，更节能；因采用了变量泵，成本较高。

2.2 定量泵和比例阀组成的冷却系统

采用定量泵和旁路电磁比例阀组成的电液控制液压驱动冷却系统调速原理为旁路调速原理，其原理如图4所示。该系统由电机带动定量泵驱动液压马达，液压马达驱动冷却风扇，通过调节比例溢流阀，改变流入液压马达的流量，从而实现冷却风扇转速变化。控制器对安装在液压系统的冷却单元温度信号采样，并对采样信号处理，输出控制信号至比例溢流阀调节端，改变其溢流压力，从而控制进入液压马达的流量。因此，可以根据液压油温的高低实现液压马达的无级调速，即油温自动控制。

图3 变量泵组成的冷却系统

该系统的特点为：控制简单、失效安全功能、冷却风扇转速无级控制、对油液要求不高、成本低、因采用了比例溢流阀，调速过程始终存在溢流损失。目前，国内外的中小型工程机械大多采用此种系统。

图4 定量泵和比例阀组成的冷却系统

2.3 可调速液压驱动冷却系统控制原理

该控制系统由油温变送器、微控单元ECU、液压马达、冷却风扇、散热器等组成，系统每隔15 s左右采样一次，将油温变速器采集到的油温信号传给A/D转换模块，将模拟信号转换为数字信号，然后送入微控单元单片机进行处理，输出相应模拟电信号，通过驱动电路，控制比例溢流阀的溢流量或者变量泵的斜盘倾角，调节流经液压马达的流量，以此实现冷却风扇的自动调节。

3 冷却系统散热特性研究

为测试两种冷却系统散热特性，以本实验台为基础，分别采用两种冷却系统进行试验对比，本实验台冷却系统主要技术参数如表1所示。

图5 控制系统原理图

表1 液压试验台主要技术参数

本液压系统冷却实验在环境温度30℃情况下进行，液压试验台在室内放置，散热器外置在室外。试验时，液压系统模拟某一负载运动规律，分别进行开式系统液压油缸的主动、被动加载，液压马达的主动、被动加载；闭式系统液压马达加载，实验时间为2 h。实验结果如图6～图8所示。

图6 马达转速及压力与比例阀输入的关系

图7 马达转速及压力与变量泵斜盘倾角变化的关系

液压马达与比例电磁阀并联，实时调节比例电磁阀的电流，控制流经马达的液压油流，控制马达转速，即可控制散热器散热效果。从图6可知，随着比例溢流阀输入的PWM信号的增加，溢流量加大，液压马达转速、压力下降。液压马达与变量泵串联，实时调节变量泵斜盘倾角的变化，控制流经马达的液压油流，控制马达转速，即可控制散热器散热效果。从图7可知，随着变量泵斜盘倾角的增大，液压马达转速增加，压力下降，显示了冷却系统调节风扇转速的过程。

液压系统工作时，采用两种液压冷却系统的油温变化如图8所示，可知：采用定量泵的液压系统与采用变量泵的液压系统温度变化趋势相同；在温变初始阶段，定量泵系统因为比例溢流阀的溢流导致系统油液温升较快，变量泵系统因为没有多余流量的溢流，系统温升较定量泵系统慢一些，两种系统温度最终稳定在（60±1）℃左右。两种冷却系统效果相差不大，但变量泵比定量泵价格高，而且试验台的工况、环境等条件没有工程机械恶劣，因此，本实验台采用定量泵系统较为合适。

图8 两种冷却系统液压油温曲线

4 结论

本研究以某一工程机械液压试验台为基础，从系统观点出发，分析了其冷却系统，并提出两种冷却系统方案，通过对两种方案进行分析、比较并进行试验研究，试验结果表明：两者温度变化趋势相同；温变初始阶段，定量泵系统相对变量泵系统油液温升较快；两者油温最终都稳定在（60±1）℃。通过本研究，可以有效实现液压系统油温的控制，并对企业今后设计制造工程机械液压冷却系统提供参考价值。

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（编辑明涛）

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