液压钻机冷却器选型设计

2017-04-13罗诗伟

地质装备 2017年3期

关键词：冷却器马达油缸

罗诗伟

(陕西核昌机电装备有限公司，陕西咸阳 712000)

液压钻机冷却器选型设计

罗诗伟

(陕西核昌机电装备有限公司，陕西咸阳 712000)

本文以HQY-500全液压钻机为例，阐述该钻机的液压系统热平衡、散热量及冷却器的选择和冷却回路设计。该钻机为便携式，结构紧凑、尺寸小，所以单靠油箱和元件及管件表面散热是不够的，必须采用冷却器对液压油进行强制冷却。散热的好坏，直接影响钻机液压系统的利用效率，因此冷却器的选型设计就显得十分重要。

钻机；液压系统；热平衡；冷却器；选型

1 引言

目前钻机的各动作普遍采用液压传动来完成。液压系统工作时，各液压元件及管路等会有摩擦损失、压力损失、容积损失。这些功率损失最终都转化为热量，使油温升高，而温升会导致液压油的物理、化学性质改变，特别会使介质急速老化。油温过高会引起油液黏度变化，使液压系统中泄漏增加，系统容积效率降低，橡胶密封失效，甚至会引起热膨胀系数不同的运动件之间的间隙变小而卡死。另外，为保持液压系统的良好工作性能，油温一般应保持在50～80 ℃的范围内。所以液压系统的散热设计是钻机设计的重要环节。

2 HQY-500全液压钻机简介

HQY-500全液压钻机在设计初期就设定了主打便携、利于搬迁的目标，为了使整机的最大部件质量不超过175 kg，在动力选择上采用小功率动力单元并联形式，由3台柴油机带动3组液压泵工作，经合流后，再分别输出给各动力执行单元。在设计中充分运用模块化设计理念，突出实用、轻巧的设计思路，以满足坑道、深山、高地等难进入地带的施工需求，在结构上采用动力源执行部分和操纵部分分置的设计思路，以增强其对施工环境的适应能力，集成化、小型化的模块化设计理念，可以满足复杂地带施工的需求，缩短施工准备时间，降低了工作强度。本文经过详细的设计计算，完成了钻机的冷却系统选型设计。

3 液压系统选型和计算

3.1 输入动力部分

该钻机选定的柴油机为常柴的CZ480Q(26.5 kW@2500 r/min)，当转速为2500 r/min，输出总功率P=3×26.5=79.5 kW；当转速为2200 r/min时，输出的总功率P=3×24=72 kW(根据柴油机功率特性曲线得出)。因此，使用小排量的SAUER-DANFOSS齿轮泵时用高转速2500 r/min，大排量的长江液压齿轮泵时用低转速2200 r/min。这样可以省油并且延长柴油机的使用寿命。此时系统的总功率为P=2×24+26.5=74.5 kW。

3.2 动力源部分

由3组单泵组成，两台是长江液压的齿轮泵，排量为32.8 mL/r，额定压力35 MPa，另外一台是SAUER-DANFOSS的齿轮泵，排量为19 mL/r，额定压力27.5 MPa。因此，系统总的输出流量为192 L/min。设定系统的工作压力为20 MPa。

3.3 功能执行部分

3.3.1 动力头马达

工况一：高速马达，马达排量为130 mL/r，在20 MPa压力下，输出扭矩为414 N·m；当转速达到1000 r/min时，所需的几何流量为Q1=130 L/min，此时的液压功率为P1=43 kW。说明需要将近两台柴油机的功率才能达到液压马达所需的功率。

工况二：低速马达，马达排量为623 mL/r，在20 MPa压力下，输出扭矩为2000 N·m；供给的几何流量为130 L/min时，转速最高达到210 r/min。

3.3.2 液压绞车马达

为摆线马达，排量为115 mL/r，额定压力18 MPa，绳速34～50 m/min，拉力1025～1500 N。在转速70 r/min时，液压绞车需要的流量为Q2=8 L/min，额定压力18 MPa，此时的功率P2=2.4 kW。

3.3.3 进给油缸

钻机的给进油缸，缸径63 mm，杆径45 mm，给进速度为300 mm/min，起拔速度为10 800 mm/min，则：

a、压力为20 MPa时，起拔力F=62 300 N；起拔时为无杆腔进油，此时所需的流量为Q3=33.5 L/min，功率P3=11.2 kW。

b、进给力F=30 000 N，进给时有杆腔进油，此时所需的流量Q6=0.48 L/min，功率P6=0.16 kW。当采用双油缸时，则起拔力为125 kN，进给力为60 kN。最大流量需要满足Q3×2=67 L/min，功率为P3×2=22.4 kW。

3.3.4 孔口夹持油缸

夹持油缸缸径63 mm，杆径32 mm，额定工作压力为15 MPa，最高20 MPa，夹紧时是无杆腔进油，则油缸的夹持力为46 735 N。夹持油缸的行程很短，只有20 mm，速度上要求不是很高，故其功率、流量很小，可以按功率P4=1 kW、流量Q4=0.5 L/min计算。

3.3.5 泥浆泵

选用YZ4-150液压直驱式泥浆泵，所需系统流量Q5=50 L/min，额定压力为20 MPa，最大排量为150 L/min，最大水压7 MPa。则其液压功率为P5=16.7 kW。

3.4 功率和流量综合计算及校核

执行元件的最大功率为几个元件所需的最大功率的总和，即P=P1+P2+2×P3+P4+P5=85.5 kW。所需的系统的最大总流量为Q=Q1+Q2+2×Q3+Q4+Q5=255.5 L/min。

根据钻机各部分执行元件的工作原理和先后顺序，以及钻探施工工艺，可以得出其五个部分不能同时工作或有几个部分同时工作的，则根据其同时动作的情况分别计算其所需功率和流量如下：

(1)第一工况：主马达工作的时候，泥浆泵、给进油缸有杆腔工作；此时功率为P=P1+P5+P6=59.86 kW，小于系统的总功率74.5 kW；此时需要的系统流量为Q=Q1+Q5+Q6=180.48 L/min，小于系统总流量192 L/min。

(2)第二工况：液压绞车工作时，主马达不工作，夹持油缸工作，泥浆泵不工作；此时的功率为P=P2+P4=3.4 kW，小于系统的总功率74.5 kW；此时需要的系统流量为Q=Q2+Q4=8.5 L/min，小于系统总流量192 L/min。

(3)第三工况：给进油缸无杆腔进油工作，主马达不工作，泥浆泵不工作，液压绞车不工作，夹持油缸可工作也可不工作；此时功率为P=2×P3+P4=23.4 kW，小于系统的总功率74.5 kW；此时需要的系统流量为Q=2×Q3+Q4=67.5 L/min，小于系统总流量192 L/min。

综合所述，其三种工况及执行动作所需的功率和流量都满足液压系统提供的总流量和总功率。其中功率的最大利用率为80%，流量的最大利用率为94%。

4 冷却器散热计算及选型

4.1 液压系统的整体最大热当量

液压系统最大热当量可按公式(1)计算。

选取水力梯度i=6条件下，3种土体梯度比Gr值随时间的变化曲线(如图3所示)，揭示排水管在水的渗流作用下淤塞的发展演化过程。

(1)

式中：W—液压功率热当量，kJ/min；

p—液压系统压力，MPa；

Q—液压系统最大流量，L/min。

代入相关数据可得，W=3840 kJ/min，即64 kW。

4.2 液压系统的散热功率

液压系统散热功率按公式(2)计算。

(2)

式中：K1—油箱散热系数，油箱外露通风良好，取K1=15；

K2—管路散热系数，由于采用胶管，散热不好，故取K2=0；

A1—为油箱的散热面积，油箱的长×宽×高=0.6 m×0.5 m×0.4 m，即油箱的表面积为1.48 m2；

A2—管道的散热面积，在这里可以不计；

Δt—油温与环境温度之差，此处设定环境温度为25℃，油温最高60℃，即温差为35℃。

根据上述参数的选择，可得出液压系统本身的散热功率Phc=777 W。

4.3 液压系统的发热功率

液压系统发热功率可按公式(3)计算。

(3)

式中：Phr—液压系统发热功率，kW；

Ph—系统总功率，kW；

Pr—输出的有效功率，系统输出的有效功率，随着工况的不同，会有所不同，最大为64 kW，最小为3.4 kW。

(1)在上述第一种工况的情况下，Ph=74.5 kW，Pr=64 kW，则Phr=74.5-64=10.5 kW。

(2)单独使用绞车时，此时做功最小，柴油机产生的液压能，基本上都变成了热能，功率被浪费，同时系统的油温上升的也很快，但是这种工况的使用时间比较短，正常钻进的时间总比单用绞车的时间要长。并且如果要比较长时间用绞车，钻机可以关闭2台柴油机，这样可以使系统的总体功率下降，所以这种第二工况下，Ph=24 kW，Pr=3.4 kW，则Phr=24-3.4=20.6 kW。

(3)在第三种工况下，钻机系统可以关闭驱动泥浆泵的柴油机，总功率可以下降26.5 kW，则此工况下的发热功率为Phr=74.5-23.4-23.5=20.6 kW。

综合三种工况下，发热功率最大的是在第三种工况下，设计选型时按第三种工况下的发热功率计算，从而可以得出冷却器的参数。

4.4 冷却器散热面积计算

根据系统自身的散热条件，无法满足使用要求，如果再加大油箱的散热面积，油箱的体积和重量都会很大，故只能装设冷却器。

冷却器的散热面积计算见公式(4)。

(4)

式中：K—冷却器的散热系数，取407；T1—液压油入口温度；T2—液压油出口温度；t1—冷却水或风入口温度；t2—冷却水或风出口温度。在常温常压下，设定液压油入口温度为30 ℃，出口温度60 ℃，冷却水入口温度15 ℃，出口温度20 ℃。

代入各数值可以得出，冷却器的散热面积A=2.13 m2，因此选择的冷却器的散热面积大于2.13 m2，即可满足钻机的使用。

4.5 冷却器选型

如上所述，因钻机由于受结构条件的限制，油箱设计较小，因而散热面积小，单靠油箱自然散热冷却不足以使温度保持在60 ℃以下，所以在液压系统中设置冷却器进行强制冷却。本钻机选用的冷却器型号为EL-533型，散热面积为3.3 m2，壳体压力1 MPa，介质压力0.5 MPa，最小介质流量为110 L/min，故其各项参数皆满足。