某特种车液压系统热分析

李 敏，周 黎，高 强，卢卫建

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

某特种车液压系统热分析

李 敏，周 黎，高 强，卢卫建

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

液压系统发热直接表现为液压油温升高，严重影响液压系统工作。根据液压系统动作顺序和使用环境，进行发热量、散热量和油液温升的计算，计算结果与试验结果吻合。结合特种车调试时液压系统实际工况，提出了增加水冷却器的解决方案，有效解决液压系统发热量过大的问题。

特种车；液压系统；热分析；发热功率

0 引 言

液压系统发热原因主要有外部传入热量和内部产生热量两种。如果环境温度较高，外部热量通过传导、辐射等方式，可导致液压系统油液温度上升；内部产生热量主要是因为动力损失而发热，如溢流阀、减压阀、管路压力损失等产生热量。液压系统发热直接表现为液压油温度升高，如果超过了液压油或者密封圈允许使用的温度限定值，将严重影响液压系统的正常工作[1～3]。某特种车在工作状态下，液压系统经过4个工作循环，液压油温从20 ℃上升至70～75 ℃，超过液压系统规定油箱内的液压油最高工作温度70 ℃的要求，必须停止工作等待油温下降后再工作，导致特种车无法长时间连续工作，本文对此进行研究。

1 液压系统组成

某特种车液压系统主要完成展车和撤收流程，展车流程包括：收锁筒，伸前、后支腿及调平，伸中支柱，回收锁弹，起竖筒，伸筒支腿等动作；撤收流程包括：回收筒支腿，回收筒，伸锁弹，回收中支柱，收前、后支腿，伸锁筒等动作。液压系统组成见图1。

2 温升分析

2.1 发热量计算

对于组成简单的液压系统，可分别计算系统中各发热部件单位时间的发热量，即发热功率，再求和[4]。对于特种车这种复杂的液压系统，其发热是由于液压泵、控制元件、执行元件、管路的功率损失以及溢流阀的溢流损失造成的，发热量可按式（1）计算：

式中hP为发热功率；rP为输入功率；cP为执行元件输出功率；ht为工况总时间；rt为泵工作时间；ct为有效做功时间。

2.1.1 输入功率

大泵的输入功率为

式中 Pr1为大泵的输入功率；p1为大泵的输出压力；q1为大泵的输出流量；ηP1为大泵的总效率，机械效率取0.9，经试验测得容积效率为0.875，ηP1=0.9× 0.875=0.79。

小泵的输入功率为

式中Pr2为小泵的输入功率；p2为小泵的输出压力；q2为小泵的输出流量；ηP2为小泵的总效率，机械效率取0.9，经试验测得容积效率为0.6，则ηP2 =0.9× 0.6=0.54。

2.1.2 有效功率

特种车液压系统典型任务剖面动作顺序为：收锁筒→伸前、后支腿及调平→伸中支柱→回收锁弹→起竖筒→伸筒支腿→时间间隔→回收筒支腿→回收筒→伸锁弹→回收中支柱→收前、后支腿→伸锁筒→时间间隔。伸前、后支腿及中支柱、起竖过程产生有效功率。各工况步骤有效功率计算如表1所示。

2.1.3 发热功率

根据式（1），可计算出各个工况下的发热功率hP，如表1所示。

表1 各工况步骤液压系统有效功率及发热功率

2.2 散热量计算

为了使液压系统长时间工作在允许的温度范围内，一般通过液压油箱、液压管路阀块外壳和散热器等进行散热，保证系统在合适的工作温度下达到热平衡。通常以热平衡时的油液温度是否在规定的使用温度范围内来决定冷却器设置有无必要，在允许最高油液温度时，若发热量不大于散热量，油温不上升，不必加冷却器；发热量大于散热量，油温上升，必须加冷却器。

对于没有冷却器的液压系统，产生的热量主要由油箱及管路散发出。进入油箱的热量为油箱内部吸收热量和油箱及管路表面散出热量之和，由此可得[5]：

式中 c为液压油比热容；m为油液质量；t为液压系统运行时间；T为运行时间t后油箱内油温；0T为周围大气温度（即油箱的起始温度）；1K为油箱传热系数；1A为油箱散热面积。

由式（4）可得：

特种车液压系统参数如表2所示。

表2 液压系统参数

2.3 温升分析

液压系统经1个展开流程（工况1～7），液压油温度随时间变化见图2。从图2可看出：液压系经1个展开过程，油液温度从20 ℃升至27.75 ℃；从图3可以看出：回收过程时，油液温度从27.75 ℃上升到34 ℃。

经15 s间隔后进行1个撤收流程（工况8～14），液压油温度随时间变化见图3。

液压系统经1个工作循环（1个展开流程和1个撤收流程），液压油温度随时间变化见图4。液压系统经过4个工作循环，液压油温度随时间变化见图5。

从图5可以看出，4个工作循环后，液压油温度升至73.30 ℃特种车液压系统调试、使用过程中，液压系统经过4个工作循环，油温从20 ℃上升至约70～75 ℃，计算结果与试验数据吻合。

从式（5）中可以看出，影响液压系统油液温度的参数除环境温度、运行时间外，主要有油箱及管路散热面积、发热功率、油箱传热系数和油液质量。取不同数值时，油液温度如表3所示。从表3可以看出：不同参数变化的幅度对液压油温度影响不同，增加液压油质量、增加散热面积、提高油箱传热系数等措施，在一定程度上能够降低液压油温度。

表3 不同参数时油液温度变化

3 解决措施

特种车液压系统规定最高工作油温为70 ℃，因此必须加冷却器。特种车长时间调试时，可以采用水冷却器。根据液压系统管路布置，可以断开液压系统回油路快速接头，在快速接头两侧连接水冷却器，增加水冷却器液压系统如图6所示。

3.1 水冷却器散热面积

冷却器一个工作循环平均散热功率2H为

式中 H为液压系统一个工作循环平均发热功率，根据表1计算可得平均发热功率H=16.9 kW；H1为油箱一个工作循环平均散热功率，H1=K1A1( T-T0)=10×4.4 ×(55-20)=1.54 kW。

式中 C为安装冷却器液压油比热，取2 000 J/(kg·℃)；ρ为液压油密度，取850 kg/m3；Q为液压油的流量，取114 L/min；1T，2T分别为冷却器进、出口油液温度，特种车所在调试车间温度，夏季一般不会超过32 ℃，因此要将油箱中油液的温度控制在70 ℃以下，油箱中液压油的温度与环境温度差应小于38 ℃，取液压油的温度与环境温度差为35 ℃，则在环境温度20 ℃时应将油箱内的液压油温度控制在55 ℃，2T取55 ℃。

由式（7）可得，1T=60 ℃。

水冷却器的散热面积为

考虑到冷却器工作过程污垢和铁锈的存在，实际散热面积减少，选择冷却器时，一般将计算所得散热面积增大20%～30%。按式（8），将计算所得散热面积增大20%，冷却器散热面积为2A=2.02 m2，取2.1 m2。

3.2 冷却水量的计算

冷却器冷却水的吸热量应等于液压油放热量，即：

式中 'Q为水的流量，L/min；'C为水的比热，取4187 J/（kg·℃）；'ρ为水的密度，取1 000 kg/m3。

变化式（9），得到需要的冷却水流量为

根据算出的冷却水流量，保证水在冷却器内的流速不超过1～1.2 m/s。根据冷却面积和冷却水量，选用相应的水冷却器。水冷却器参数如表4所示。

表4 水冷却器参数

3.3 试验结果

在调试时选用散热面积2.1 m2冷却器，在不同的环境温度下，连续多个工作循环调试，没有出现油箱中的油液超过70 ℃中断调试的问题。

4 结束语

发热量计算是液压系统设计中十分重要的环节，过高的温度直接影响系统工作可靠性及元件的使用寿命。本文对特种车液压系统发热量和散热量进行了分析，对该液压系统在任务剖面工作时液压油温度变化情况进行了计算，提出了增加水冷却器的改进措施，有效解决液压系统发热问题。

[1] 韩波, 王纪森, 胡建龙, 等. 飞机液压系统热载荷仿真分析[J]. 液压气动与密封, 2013(8): 13-16.

[2] 罗艳彦, 王新民, 孙文娇, 等. 液压管路对系统热载荷的影响分析[J].液压气动与密封, 2013(9): 36-39.

[3] 梁贵萍, 何晓晖. 某型飞机液压泵在液压系统中的热平衡分析[J]. 液压与气动, 2009(8): 38-41.

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[5] 李玉琳. 液压元件与系统设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1991.

[6] 成大先. 机械设计手册第四卷[M]. 北京: 化学工业出版社, 2015.

Thermal Analysis of Special Vehicle Hydraulic System

Li Min, Zhou Li, Gao Qiang, Lu Wei-jian
(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The rise of oil temperature due to the heating of hydraulic system, which seriously affects the operation of hydraulic system. According to the order of the hydraulic system of action and environment, calculating the heat, heat loss and oil temperature rise, the calculation results agree with the experimental results. Combined with the special vehicle when debugging the hydraulic system to actual conditions, the solution suggestions of adding water cooler were proposed and solved the problem of large heating.

Special vehicle; Hydraulic system; Thermal analysis; Heating power

V553.1+9

A

1004-7182(2017)03-0087-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170319

2017-01-10；

2017-02-10；数字出版时间：2017-04-12；数字出版网址：www.cnki.net

李 敏（1980-），女，工程师，主要研究方向为液压系统设计