全液壓平地機行駛驅動系統散熱性能研究

鄒林江，陳 強，熊衛民

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

平地機是基礎建設施工中擔負平整作業任務的重要設備。全液壓平地機集機電液于一體，具有傳動環節少、作業效率高、易操作、無級變速、自動適應負載能力強及便于實現自動控制等特點，發展前景廣闊。全液壓平地機的傳動系統主要由發動機、液壓泵、液壓馬達、減速平衡箱及車輪組成（如圖1所示），與液力機械式平地機相比，省去了液力變矩器、變速箱及驅動橋等機械傳動環節。

圖1 全液壓平地機傳動系統

在由單泵并聯雙液壓馬達驅動的全液壓平地機閉式系統中，閉式系統發熱問題成為平地機適應各種復雜工況必須解決的問題。在跑車試驗測試過程中，全液壓平地機閉式系統產生的熱量占到了整個機器熱量的80%以上，故從理論上探討平地機閉式系統的發熱情況，對全液壓平地機正常行駛及作業有著十分重要的實際意義。

本文通過理論計算，分析全液壓平地機閉式驅動液壓系統在各工況下的效率和散熱能力，并通過試驗驗證為平地機適應更高的環境溫度打好理論基礎。

1 全液壓平地機閉式驅動系統效率理論分析

液壓驅動工程車輛非常關心液壓元件的容積效率及機械效率，除效率可影響到系統功率的合理配置、散熱、動力性和經濟性能指標外，對于作業指標要求嚴格的機器，容積效率將影響到液壓系統的速度輸出和速度穩定性，最終影響機器的作業質量和整個系統的壽命。

泵馬達的效率一般針對不同使用條件由試驗實測取得。而效率經驗理論表達式只適用于估計和分析在各種使用條件下的效率變化趨勢及影響因素，尋找最佳的使用條件，并將這種分析結構用于泵馬達的參數匹配和使用過程的控制中，準確的效率值必須通過試驗取得。對泵馬達的經驗理論效率計算和泵馬達效率試驗，可真正了解系統的運行情況。

全液壓平地機閉式驅動系統由單泵帶動雙并聯馬達組成，其工作效率分析如下。

1.1 閉式泵效率分析

1.1.1 泵容積損失與容積效率

因液體的泄漏、壓縮等原因而損失的能量稱為容積損失。泵經過容積損失后的實際輸出功率與泵的理論輸出功率之比，即為泵的容積效率[1]。

變量泵容積效率ηpv的經驗公式如下[2]：

由式（1）可以看出，泵的容積效率隨油液粘度和轉速的增加而增加，隨壓差的增加而減小。

1.1.2 泵機械損失與機械效率

泵的理論輸出功率與其實際輸入功率之比，即為泵的機械效率。

變量泵的機械效率ηpt經驗公式如下[2]：

泵的機械效率與零件間或零件和流體間的摩擦損失有關，當摩擦損失加大時，同樣大小的理論輸出功率需要較大的輸入功率，故機械效率下降。當工作液體的粘度加大、縫隙減小時，因液體摩擦和運動零件間的摩擦力增大，機械效率也會減小。

1.2 馬達效率分析

1.2.1 馬達容積損失與容積效率

馬達容積損失是指單位時間液壓馬達內部各間隙的泄漏所引起的損耗量。液壓馬達的理論輸入流量與實際輸入流量之比，稱為馬達容積效率。

變量馬達的容積效率ηmV經驗公式如下：

顯然，其大小隨油液粘度及轉速的增加而增大，隨馬達進出口壓差的增加而減小。

1.2.2 馬達機械損失與機械效率

馬達機械損失是指各零件間相對運動及流體與零件間相對運動的摩擦而產生的能量損失。馬達機械效率等于其運行狀態的實際輸出扭矩與理論扭矩的比值。

變量馬達的機械效率ηmt經驗公式如下：

以上各式中，Cs為層流泄漏系數，Cs＝0.8×10－9；Δp為進出口壓差，Pa；μ為油液動力粘度，Pa·s；np為泵轉速，r／min；nm為馬達轉速，r／min；β為排量比，β=V／Vmax；CV為層流阻力系數，CV＝0.2×106；Cf為機械阻力系數，Cf＝0.01；TC為與進出口壓差和轉速無關的一定的扭矩損失，N·m；Vmax為泵全排量，m3／r。

顯然，ηmt隨油液粘度及轉速的增加而減小，隨負載壓差的增加而增加。

1.3 閉式系統總效率

閉式泵、馬達容積效率和機械效率的乘積即為閉式系統總效率，即：

式中：v——平地機行走速度，km／h；

rd——動力半徑，m；

i——傳動系統傳動比；

Vp——變量泵排量；

Vm——馬達排量。

結合式（1）～式（6）可繪制閉式系統理論效率曲線（如圖2所示）。

圖2 閉式系統理論效率曲線

由圖2可知：

a）閉式液壓系統總效率隨壓力的增大而增加；

b）閉式液壓系統總效率隨排量比的增大而增大；

c）馬達隨排量的增大，行駛速度減少，效率明顯提高。

從圖2中還可以看出，全液壓平地機最惡劣的工況為高速跑車，此時閉式系統效率最低，系統將產生大量的熱量。散熱系統能否滿足跑車工況要求，將直接影響液壓系統的可靠性和壽命。

2 閉式系統降溫計算

2.1 閉式系統散熱功率

因閉式泵、馬達的總效率引起的損失功率，即為閉式系統需要的散熱功率。

由上分析，可知當閉式系統高速跑車工況時效率最低，其發熱量理論公式推斷如下[2,3]：

式中，L為系統的流量，L／min；Pt為發熱功率，kW。

2.2 閉式系統熱平衡計算

閉式系統的發熱量主要通過補油泵補入系統的涼油置換熱油而帶走。如果不計系統元器件的表面散熱和管道損失，則單位時間補入系統的涼油與系統內熱油達到熱平衡所吸收的熱量即為系統的散熱功率。設系統補入的涼油與系統內熱油溫差為Δt（單位為℃），則每秒補入的涼油吸收的熱量就是系統的散熱功率，即：

式中：ρ——液壓油密度，kg／L，取0.85；

l——補油泵泵流量，L／min；

Cp——液壓油比熱，kJ／（kg·°C），取2.15。

即

從式（11）可以看出，閉式系統內油溫與油箱油溫之差與系統的工作壓力成正比關系。對于給定的閉式系統，其補油量和總效率在正常工作范圍內基本不變，因此系統內油溫與油箱溫差主要取決于系統的工作壓力，即系統的負荷。

3 試驗驗證

根據上述分析過程，某全液壓平地機的有關參數為：泵v＝140，補油泵v＝28.3cc／r，馬達v＝160，發動機轉速為2300r／min，傳動比為33.726。在環境溫度23℃下進行高速跑車試驗，車速為30.2km／h，系統壓力175bar，根據式（1）～式（6），閉式系統效率計算結果為67%，系統發熱量為29.55kW。根據式（11），此時油箱溫度較閉式系統應低16.77℃才能保持系統平衡。實際測試結果如圖3所示。

圖3 閉式系統油溫測試

由圖3可以看出，通過散熱器帶走熱量，平地機油箱同閉式系統泄油溫差平均值為22.4℃，高于理論計算值，同時泄油口溫度低于92℃，處于許可范圍之內，說明平地機閉式液壓系統散熱系統可以滿足平地機的跑車工況，全液壓平地機散熱系統和補油系統能夠滿足平地機的各種工況需求。

4 結論

閉式系統溫升平衡情況是全液壓平地機所面對的最基本問題，合理的平衡溫度可以延長系統元件的使用壽命，提高系統的可靠性。實踐證明，本文探討的閉式系統熱平衡問題和方法可以有效評估閉式系統的散熱能力，對液壓閉式系統的設計具有一定的指導意義。

[1]何存興.液壓元件[M].北京：機械工業出版社，1982.

[2]姚懷新.行走機械液壓傳動與控制[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]張志友.閉式液壓系統內部油溫的測算[J].筑路機械與施工機械化，1999，（3）：5.

[4]張士勇.閉式液壓系統內油溫分析[J].基建優化，2003，（8）：53-54.