全液壓平地機(jī)行駛驅(qū)動系統(tǒng)散熱性能研究

鄒林江，陳 強(qiáng)，熊衛(wèi)民

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

平地機(jī)是基礎(chǔ)建設(shè)施工中擔(dān)負(fù)平整作業(yè)任務(wù)的重要設(shè)備。全液壓平地機(jī)集機(jī)電液于一體，具有傳動環(huán)節(jié)少、作業(yè)效率高、易操作、無級變速、自動適應(yīng)負(fù)載能力強(qiáng)及便于實現(xiàn)自動控制等特點，發(fā)展前景廣闊。全液壓平地機(jī)的傳動系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、減速平衡箱及車輪組成（如圖1所示），與液力機(jī)械式平地機(jī)相比，省去了液力變矩器、變速箱及驅(qū)動橋等機(jī)械傳動環(huán)節(jié)。

圖1 全液壓平地機(jī)傳動系統(tǒng)

在由單泵并聯(lián)雙液壓馬達(dá)驅(qū)動的全液壓平地機(jī)閉式系統(tǒng)中，閉式系統(tǒng)發(fā)熱問題成為平地機(jī)適應(yīng)各種復(fù)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(jī)閉式系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量占到了整個機(jī)器熱量的80%以上，故從理論上探討平地機(jī)閉式系統(tǒng)的發(fā)熱情況，對全液壓平地機(jī)正常行駛及作業(yè)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(jī)閉式驅(qū)動液壓系統(tǒng)在各工況下的效率和散熱能力，并通過試驗驗證為平地機(jī)適應(yīng)更高的環(huán)境溫度打好理論基礎(chǔ)。

1 全液壓平地機(jī)閉式驅(qū)動系統(tǒng)效率理論分析

液壓驅(qū)動工程車輛非常關(guān)心液壓元件的容積效率及機(jī)械效率，除效率可影響到系統(tǒng)功率的合理配置、散熱、動力性和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)外，對于作業(yè)指標(biāo)要求嚴(yán)格的機(jī)器，容積效率將影響到液壓系統(tǒng)的速度輸出和速度穩(wěn)定性，最終影響機(jī)器的作業(yè)質(zhì)量和整個系統(tǒng)的壽命。

泵馬達(dá)的效率一般針對不同使用條件由試驗實測取得。而效率經(jīng)驗理論表達(dá)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(jié)構(gòu)用于泵馬達(dá)的參數(shù)匹配和使用過程的控制中，準(zhǔn)確的效率值必須通過試驗取得。對泵馬達(dá)的經(jīng)驗理論效率計算和泵馬達(dá)效率試驗，可真正了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

全液壓平地機(jī)閉式驅(qū)動系統(tǒng)由單泵帶動雙并聯(lián)馬達(dá)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(jīng)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(jīng)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(zhuǎn)速的增加而增加，隨壓差的增加而減小。

1.1.2 泵機(jī)械損失與機(jī)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(jī)械效率。

變量泵的機(jī)械效率ηpt經(jīng)驗公式如下[2]：

泵的機(jī)械效率與零件間或零件和流體間的摩擦損失有關(guān)，當(dāng)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(jī)械效率下降。當(dāng)工作液體的粘度加大、縫隙減小時，因液體摩擦和運(yùn)動零件間的摩擦力增大，機(jī)械效率也會減小。

1.2 馬達(dá)效率分析

1.2.1 馬達(dá)容積損失與容積效率

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

變量馬達(dá)的容積效率ηmV經(jīng)驗公式如下：

顯然，其大小隨油液粘度及轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨馬達(dá)進(jìn)出口壓差的增加而減小。

1.2.2 馬達(dá)機(jī)械損失與機(jī)械效率

馬達(dá)機(jī)械損失是指各零件間相對運(yùn)動及流體與零件間相對運(yùn)動的摩擦而產(chǎn)生的能量損失。馬達(dá)機(jī)械效率等于其運(yùn)行狀態(tài)的實際輸出扭矩與理論扭矩的比值。

變量馬達(dá)的機(jī)械效率ηmt經(jīng)驗公式如下：

以上各式中，Cs為層流泄漏系數(shù)，Cs＝0.8×10－9；Δp為進(jìn)出口壓差，Pa；μ為油液動力粘度，Pa·s；np為泵轉(zhuǎn)速，r／min；nm為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r／min；β為排量比，β=V／Vmax；CV為層流阻力系數(shù)，CV＝0.2×106；Cf為機(jī)械阻力系數(shù)，Cf＝0.01；TC為與進(jìn)出口壓差和轉(zhuǎn)速無關(guān)的一定的扭矩?fù)p失，N·m；Vmax為泵全排量，m3／r。

顯然，ηmt隨油液粘度及轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨負(fù)載壓差的增加而增加。

1.3 閉式系統(tǒng)總效率

閉式泵、馬達(dá)容積效率和機(jī)械效率的乘積即為閉式系統(tǒng)總效率，即：

式中：v——平地機(jī)行走速度，km／h；

rd——動力半徑，m；

i——傳動系統(tǒng)傳動比；

Vp——變量泵排量；

Vm——馬達(dá)排量。

結(jié)合式（1）～式（6）可繪制閉式系統(tǒng)理論效率曲線（如圖2所示）。

圖2 閉式系統(tǒng)理論效率曲線

由圖2可知：

a）閉式液壓系統(tǒng)總效率隨壓力的增大而增加；

b）閉式液壓系統(tǒng)總效率隨排量比的增大而增大；

c）馬達(dá)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(jī)最惡劣的工況為高速跑車，此時閉式系統(tǒng)效率最低，系統(tǒng)將產(chǎn)生大量的熱量。散熱系統(tǒng)能否滿足跑車工況要求，將直接影響液壓系統(tǒng)的可靠性和壽命。

2 閉式系統(tǒng)降溫計算

2.1 閉式系統(tǒng)散熱功率

因閉式泵、馬達(dá)的總效率引起的損失功率，即為閉式系統(tǒng)需要的散熱功率。

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

式中，L為系統(tǒng)的流量，L／min；Pt為發(fā)熱功率，kW。

2.2 閉式系統(tǒng)熱平衡計算

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

式中：ρ——液壓油密度，kg／L，取0.85；

l——補(bǔ)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(tǒng)內(nèi)油溫與油箱油溫之差與系統(tǒng)的工作壓力成正比關(guān)系。對于給定的閉式系統(tǒng)，其補(bǔ)油量和總效率在正常工作范圍內(nèi)基本不變，因此系統(tǒng)內(nèi)油溫與油箱溫差主要取決于系統(tǒng)的工作壓力，即系統(tǒng)的負(fù)荷。

3 試驗驗證

根據(jù)上述分析過程，某全液壓平地機(jī)的有關(guān)參數(shù)為：泵v＝140，補(bǔ)油泵v＝28.3cc／r，馬達(dá)v＝160，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2300r／min，傳動比為33.726。在環(huán)境溫度23℃下進(jìn)行高速跑車試驗，車速為30.2km／h，系統(tǒng)壓力175bar，根據(jù)式（1）～式（6），閉式系統(tǒng)效率計算結(jié)果為67%，系統(tǒng)發(fā)熱量為29.55kW。根據(jù)式（11），此時油箱溫度較閉式系統(tǒng)應(yīng)低16.77℃才能保持系統(tǒng)平衡。實際測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 閉式系統(tǒng)油溫測試

由圖3可以看出，通過散熱器帶走熱量，平地機(jī)油箱同閉式系統(tǒng)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(nèi)，說明平地機(jī)閉式液壓系統(tǒng)散熱系統(tǒng)可以滿足平地機(jī)的跑車工況，全液壓平地機(jī)散熱系統(tǒng)和補(bǔ)油系統(tǒng)能夠滿足平地機(jī)的各種工況需求。

4 結(jié)論

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

[1]何存興.液壓元件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]姚懷新.行走機(jī)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(tǒng)內(nèi)部油溫的測算[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，1999，（3）：5.

[4]張士勇.閉式液壓系統(tǒng)內(nèi)油溫分析[J].基建優(yōu)化，2003，（8）：53-54.