捣固车液压系统辅助冷却装置的研制

2015-12-28李增强

铁道建筑 2015年4期

关键词：油口液压油液压

李增强

(西安铁路局，陕西西安710054)

捣固车液压系统辅助冷却装置的研制

李增强

(西安铁路局，陕西西安710054)

针对捣固车液压系统普遍存在的高温问题，采用氟利昂作为冷却介质，利用压缩机制冷原理，研制出一种新型辅助冷却装置。本文介绍了该装置的工作原理及其设计。经试验验证，该冷却装置性能稳定，能够有效延缓液压油温度升高速度，提高了作业效率，满足捣固车使用要求。

捣固车液压油高温冷却

捣固车是目前铁道部门应用最广的一种大型养路机械，各种车型现已在铁路的新线建设、旧线大修和运营路线的维修作业中发挥着重要作用。捣固车液压系统的高温问题严重且广泛。高温是一种恶性循环故障，对液压系统具有总体性损害，温度升高导致液压油黏度下降，黏度下降导致容积效率降低，而容积效率降低又导致油温进一步升高，形成恶性循环。高温改变了所有液压元件内部的正常配合状态和润滑状态，加速了橡塑密封件的老化和变形，也会加速液压油的氧化变质，使精密液压元件(如伺服阀和比例阀等)不能正常工作［1-2］。

高温使得作业效率大大降低，在开天窗作业的时间内不能完成规定的任务，严重时被迫停机降温或引发系统故障，浪费宝贵的天窗时间。据不完全统计，近年高温季节时西安局、上海局等的多个DC-32，DCL-32，DWL-48捣固车曾先后多次出现液压系统温度超限，被迫停机降温，严重影响了作业进度。因此，解决捣固车液压系统的高温问题具有重要的实际意义。

1 捣固车液压系统高温的原因

引起液压系统温升过高的主要原因有油箱散热面积不够、未安装油冷却装置或冷却装置容量过小、高压溢流发热、卸荷回路出现故障、沿程压力损失大、元件质量差、配合件的配合间隙太小、作业环境温度高、油液的黏度选择不当等［3-4］，很多情况下是多种原因并存。

目前，国内捣固车的种类有DCL-32，DC-32等多种型号。本文以高温问题比较突出的DCL-32型捣固车为例进行研究。DCL-32型捣固车液压系统采用多泵、多回路系统。它有三台双连泵和一台三连泵，组成三个独立的油泵—油马达回路和三个不同压力流量的油泵—蓄能器—油缸回路［5］，充分利用了发动机的功率。这些执行元件有独立动作和复合动作。

DCL-32型捣固车在作业时属全液压驱动，它的全部作业机构由8个叶片泵提供油源，主要的执行元件为叶片马达和摆线马达。另有不少执行元件为油缸，但其所需功率仅为液压系统功率的1/3。由于叶片泵、叶片马达和摆线马达的效率较低(一般不大于0.92)，故泵和马达的总效率在85%以下，如果考虑液压阀的局部损失和管路的沿程压力损失等，则液压系统的总效率在80%左右。DCL-32型捣固车的柴油机功率为348 kW，作业时的转速为2 000 r/min。参照有关资料计算可知［2］，液压系统发热功率为60 kW，而通过油箱外壁和液压管路两大部位的散热功率仅为29.4 kW，另外30.6 kW的热量将使液压油温度快速升高。

DCL-32型捣固车液压系统冷却器的冷却功率约为12 kW，只有实际发热功率的36%。其余18.6 kW的发热功率将使液压油温度升高，经计算会导致实际工作时油液的温升超过40℃［6］。由于捣固车的使用环境比较恶劣，尤其南方大部分地区，普遍存在夏天环境温度高、持续时间长，很多时候地面温度超过40℃，此时捣固车作业时液压油的温度会超过上限(80℃)，从而导致高温问题普遍存在。

2 冷却装置设计

2.1 冷却功率确定

结合DCL-32型捣固车现有冷却装置和冷却方式，为充分利用捣固车上现有发电机组的富余电量，最大限度地提高设备使用效率，降低使用成本，采取在原冷却装置回路加装新冷却装置的方式进行冷却［7］。如图1所示，将原冷却器出油口作为新冷却装置取油口，将原冷却器出油口通过液压管和新冷却装置进油口相连，新冷却装置出油口通过液压管回油箱。考虑到DCL-32型捣固车原有发电机组功率富余量，冷却装置额定冷却功率取6.4 kW，进油口液压油压力≤3 MPa，液压油流量≤120 L/min。

图1 新冷却装置取油口原理

发热功率H和油液温升ΔT之间存在如下关系

式中:C为液压油的当量热容量，矿物油取1.88 kJ/(kg·K);t为升温时间，min，DCL-32型捣固车取120 min(作业时间);P为液压油密度，矿物油为0.915 kg/L;V为油箱容积，DCL-32型捣固车取1 600 L。

当辅助冷却装置工作时，液压系统冷却功率可达18.4 kW，使油液升温功率为12.2 kW，则连续工作2 h后，系统温升为

当环境温度为40℃时，液压油的温度为80℃，基本能够保证系统正常工作。

2.2 冷却装置冷却介质选择

由于空气温度较高时，空气温度与油液适宜工作温度相当，故采取风冷方式时冷却效果将大打折扣［8-9］，而冷却风扇又受安装空间的影响，不能做到无限制大，故应采取其他冷却介质如水等。由于车上没有循环冷却水，故采取氟利昂作为冷却介质进行冷却。

2.3 系统工作原理

1)制冷系统工作原理

冷却装置制冷系统所使用的介质以氟利昂作为制冷剂，采用密封蒸气压制式制冷。

制冷系统工作原理如图2所示。

制冷剂经过压缩机压缩后的高温高压制冷剂蒸气，经过高压管路进入冷凝器冷却，以液态和液气混合的形式进入冷凝器冷却，轴流式风机将被冷凝器加热的热空气吹到车外大气中。以液态和液气混合的形式进入贮液干燥过滤器，滤去杂质，除去水分。高温高压的液体制冷剂经膨胀阀减压节流，以雾状进入到蒸发器进行热交换，将液压油冷却器的热量带走。吸热后的制冷剂变成低压蒸气，被重新吸回压缩机进行加压。如此循环，制冷剂不断吸收液压油内的热量使液压油降温。空气中所含水分和微尘，经过蒸发器降温至露点使水分析出，凝结在蒸发器上，连同附着于蒸发器管片的微尘，流入排水管并排出车外，保证了空气的干燥清洁［10］。

2)系统换热原理

冷却装置的制冷剂在制冷压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器等部件组成的封闭系统中循环。液压油通过蒸发器得到冷却，制冷系统连续工作，从而达到液压油冷却降温的目的。

图2 冷却装置工作原理

3 装车试验

3.1 安装位置

冷却装置通过三级减震装置固定在捣固车顶部，节省了车体内部安装空间，出油管路串接在液压系统回油管路中，装拆方便，如图3、图4所示。

图3 冷却装置安装侧视图

图4 冷却装置安装俯视图

3.2 试验数据分析

选取7组试验样本进行分析，其中3组为冷却装置关闭的数据，4组为冷却装置开启的数据(包含1组隧道内作业数据)。分别将3组制冷开启和制冷关闭的测试数据加权平均，按照作业时间与温度变化绘制曲线，如图5所示。可见，冷却装置工作时延缓了温度升高的速度。

图5 数值模拟

采用模拟法可得出两种情况下的模拟曲线，制冷开启时公式为y=0.284 9x+25.71，制冷关闭时公式为y=0.324 8x+27.27。通过计算可知，若环境温度约20℃，理论上制冷开启、关闭时温度达到70℃所需时间分别为155，132 min;若环境温度约40℃，理论上制冷开启、关闭时温度达到70℃所需时间分别为85，70 min。采用冷却装置对于液压油温度的升高起到了一定的延缓作用，连续工作时间可以延长约20%。