液壓鑿巖臺車油箱改造及熱平衡計算分析

吳相斌

(中鐵隧道集團隧道設備制造有限公司，河北三河 0 65201)

0 引言

中鐵隧道集團專用設備中心修造廠原存放一臺山特維克(原湯姆洛克，已被山特維克收購)三臂門架式液壓鑿巖臺車，該臺車是湯姆洛克(洛陽)機械有限公司比照同類臺車加工制造的門架式液壓鑿巖臺車，其工作臂的工作原理、主要結構基本上與輪胎式臺車相同。該門架式液壓鑿巖臺車為軌行式三臂一籃，未曾使用，以散件的形式存放在庫房。為使他們發揮應有的作用，公司以有限的投入購買了二手底盤，采用技術改造的方法對閑置設備進行適當的改造和系統集成升級，這樣不但可以緩解公司的資金壓力，增加公司的臺車資源，同時也增強了技術儲備。

在長大鐵路、公路隧道施工中臺車使用越來越廣泛［1］，前人主要在臺車設備管理、施工、使用、維護和保養及改造等領域做了大量的探索研究。在設備管理方面，康寶生［2］分析總結了臺車施工過程中的綜合數據與使用經驗，探索了影響鑿巖臺車機械化施工的關鍵因素，并提出了提升臺車設備管理的思路;在施工方面，文獻［3-5］從項目管理者與施工者的角度出發，研究并總結了不同地質條件下鑿巖臺車的施工方法與工藝，獲得了寶貴的施工經驗，一定程度上提升了機械化施工技術水平;在設備維護和保養方面，文獻［6-8］總結了鑿巖臺車使用過程中的故障現象，并分析故障原因，探索解決設備故障的方法，為設備的良好運作提供了有力保障;在臺車改造方面，文獻［9-10］通過技術改造，增強了鑿巖臺車的個別功能，提升了鑿巖臺車對施工現場的適用性。

前人所做的大量工作中，針對鑿巖臺車液壓油箱改造的研究尚不多見。本文主要介紹了鑿巖臺車液壓油箱的改造原因、改造依據，以及熱平衡計算分析過程，通過采用理論計算的方式論證了油箱改造的合理性。不僅解決了鑿巖臺車改造過程中液壓油箱的安裝問題，而且為其他類似設備油箱改造及系統集成提供了經驗與思路。

1 改造原因

液壓油箱主要是儲存油液，此外還具有散發油液中的熱量(在周圍充氣溫度較低的情況下則是保持油液中熱量)、釋放混在油液中的氣體及沉淀油液中污物等作用。液壓泵站有整體式和分離式2種。整體式泵站將油泵內置于油箱，這種泵站結構緊湊，各處漏油易于回收，但增加了設計和制造的復雜性，維修不便，散熱條件較差，且會使油泵產生熱變形。分離式泵站單獨設置，油箱與液壓油泵分開，減少了油泵發熱和液壓振動，因此得到了普遍的采用。

門架式臺車采用的液壓油箱是3套整體式泵站，油箱的長×寬×高為770 mm×560 mm×810 mm，電機安裝在液壓油箱上部，油泵內置(見圖1)。原門架式臺車體型巨大，3套泵站有足夠大的空間安裝。但輪式臺車系統集成度高，空間尺寸有限，這3套整體式泵站均不具備直接使用的條件。

購買的輪式臺車底盤上裝有一個分離式液壓油箱(見圖2)，計劃通過改造與集成的方式將門架式臺車的電機油泵與輪式臺車的液壓油箱組合使用，這樣能夠節省臺車的安裝空間，優化臺車的整體布置。通過機械改造的方式，可以實現電機油泵與液壓油箱的改造，但其安裝后油箱的容量是否滿足要求，系統的散熱性能是否受到影響是改造成敗的關鍵問題。本文將重點對容量與系統熱平衡進行計算分析。

圖1 整體式液壓油箱Fig．1 Ⅰntegral hydraulic oil tank

圖2 分離式液壓油箱Fig．2 Separate hydraulic oil tank

2 液壓油箱改造容量論證

輪式臺車自帶油箱總容量為625 L。門架式臺車工作泵站有3個，每個油箱的大小為770 mm×560 mm×810 mm，則油箱容積為330 L，而泵站內置，需減去油泵體積，約270 L，總體容積大于輪式油箱的容積。故需要對改造后的液壓油箱容量進行論證。

2．1 從液壓執行件及設計角度考慮油箱容量

2．1．1 液壓執行件最大儲油量

液壓鑿巖臺車有 2個 ZRU1000大臂、1個ZRU1400大臂和1個吊籃臂。以ZRU1000為例，分別計算各個油缸的最大容量，即活塞桿全部伸出后油缸所能容納油的體積。

式中:Vmax為油缸的最大容積，L;d為活塞直徑，mm;h為油缸行程，mm。

根據式(1)分別計算各個油缸的最大儲油量。

1)小臂舉升油缸。活塞直徑125 mm，活塞桿直徑50 mm，h=320 mm，則 Vmax=3．93 L。

2)大臂伸縮油缸。活塞直徑80 mm，活塞桿直徑50 mm，h=2 000 mm，則 Vmax=10．05 L。

3)錨桿油缸。活塞直徑125 mm，活塞桿直徑50 mm，h=320 mm，則 Vmax=3．93 L。

4)小臂擺動油缸。活塞直徑125 mm，活塞桿直徑50 mm，h=290 mm，則 Vmax=3．56 L。

5)大臂擺動油缸(上)。活塞直徑125 mm，活塞桿直徑50 mm，h=490 mm，則 Vmax=6．01 L。

6)大臂擺動油缸(下)。活塞直徑125 mm，活塞桿直徑 50 mm，h=490 mm，則 Vmax=6．01 L。

7)大臂舉升油缸。活塞直徑410 mm，活塞桿直徑110 mm，h=670 mm，則 Vmax=10．27 L。

8)推進梁伸縮油缸。活塞直徑55 mm，活塞桿直徑32 mm，h=1 350 mm，則 Vmax=3．2 L。

ZRU1000總容量等于上述容量總和，約50 L，以此類推ZRU1400大臂的執行件儲油量為70 L，吊籃臂的最大儲油量為40 L。故3條臂的液壓油儲油總量為210 L。

2．1．2 油管及閥組內油液容量

整車油管較多，故閑置時需要儲存大量液壓油，以下粗略估計用油量。執行件鉆機的用油量很大，但是儲油量很小，將其閑置時的用油量粗略估計到油管中。同樣適用式(1)分別計算各種規格液壓油管的儲油量。

1)2 寸管，L=3 m，1 根，計算得 V=5．9 L;

2)11/4寸管，L=4 m，8根，計算得V=36 L;

3)1寸管，L=4 m，10根，計算得 V=20 L;

4)1/2 寸管，L=4 m，40 根，計算得 V=20．3 L;

5)3/4寸管，L=4 m，30根，計算的V=34 L;

6)1/4寸管，L=4 m，40根，計算得V=5 L;

7)3/8寸管，L=4 m，200根，計算得V=61 L;

故總容量約為=182 L。

在所有液壓元件裝滿油液后，估計用油總量為210+182=392 L，小于油箱低位時的儲油量，能夠滿足設計手冊的要求。

2．2 油泵及油箱液面變化分析

3組三聯泵耗油量為438 L，則油箱容量除以油泵每分鐘的排量所得系數為1．43(即625/438)，符合移動機械1～3的系數。

油管和閥組內的油在初次調試時就會充滿，最后所有油缸縮回時，就是油箱最高液面，再適當的添加新油即可。液面變化量主要取決于油缸，以ZRU1000大臂油缸為例，計算所有油缸液壓油變化量。V=πD2/4×h×10-6。 (2)式中:V為油缸液壓油變化量，L;D為活塞桿直徑，mm;h為油缸行程，mm。

1)活塞直徑125 mm，活塞桿直徑50 mm，h=320 mm，則 V=0．63 L。

2)活塞直徑80 mm，活塞桿直徑50 mm，h=2 000 mm，則 V=3．9 L。

3)活塞直徑140 mm，活塞桿直徑110 mm，h=667 mm，則 V=6．3 L。

4)活塞直徑55 mm，活塞桿直徑32 mm，h=1 350 mm，V=1．1 L。

上述油缸引起的容積變化為:(0．63×6+3．9+6．3+1．1)L=15．1 L，由此可以看出在正常使用時液面變化不大。故油箱容積滿足使用要求。

2．3 油箱容量計算結果分析

綜上所述，從油箱儲油量與油箱使用2方面論述可得出:現有輪式臺車上的液壓油箱容量能夠滿足使用要求。

3 熱平衡計算

液壓鑿巖臺車的工作液壓系統主要包括動力元件、控制元件、執行元件及輔助元件，將各個部分組合到一起才能構成完整的液壓系統。冷卻器屬于液壓系統的輔助元件，其合理選用對于系統的集成改造至關重要。此次液壓鑿巖臺車選用的冷卻器是3臺GLC 3-4列管式油冷卻器，冷卻面積4 m2，公稱壓力1．6 MPa，工作溫度≤100℃。該冷卻器為門架式臺車所用，現用于改造后的輪式臺車，需要驗證其系統匹配性。

3．1 系統發熱功率

根據液壓系統發熱功率

得:H=45×103×3×(1-0．9×0．95×0．6)=66 kW。

式中:H為系統發熱功率，kW;Np為輸入總功率，W;np為泵的效率，取0．9;nc為液壓回路效率，取0．95;nm為執行元件效率，鑿巖機為0．6。

3．2 油箱本身散熱功率

HS305T液壓系統油箱散熱面積為4．3 m2，根據油箱散熱公式

得:H0=9×10-3×4．3×(55-35)=0．774 kW。

式中:H0為散熱功率，kW;K為油箱散熱系數，取9×10-3kW/(m2·℃);A為油箱散熱面積，取4．3 m2;t1為系統中溫度，取55℃;t2為環境溫度，取35℃。

因臺車油箱本身散熱功率很小，故不考慮其散熱影響。

3．3 水冷卻器散熱功率

得:H=9．5×1 000×4 186．8×5=198 873 000 J/h=55．24 kW。

式中:Qa為冷卻水量，m3/h;ρk為水密度，1 000 kg/m3;Cp為水比熱容，4 186．8 J/(kg·K);Δt為進出水溫差，為5℃。

計算得知，系統發熱功率為66 kW，水冷卻器散熱功率為55．24 kW，則原設計中冷卻水的流量不能滿足要求，若要滿足式(3)計算得出的66 kW的系統發熱功率，需要增加水泵排量。根據總發熱功率要求，由式(5)可得:

則需要冷卻水泵流量至少為11．5 m3/h。臺車改造實際使用的增壓水泵額定流量為17．5 m3/h，完全滿足使用要求。

3．4 冷卻器所需散熱面積

取冷卻器進油溫度t1為75℃，出口t2為55℃，進水溫度t3為25℃，出水溫度t4為30℃。根據

得:A=66 000/(300 ×37．5)=5．9 m2。

式中:Δτ=［(t1+t2)-(t3+t4)］/2;k為散熱系數，取300 W/(m2·℃)(數據來源于姜堰凱瑞機械制造廠生產的同等類型的冷卻器散熱系數)。

實際冷卻器的散熱面積為:4 m2×3=12 m2，故冷卻器的散熱面積完全滿足散熱需求。

4 結論與體會

液壓鑿巖臺車改造后按照科研項目流程進行了嚴格的工廠與工業試驗，組裝后的設備如圖3所示。

圖3 組裝后效果圖Fig．3 Reformed rock-drilling jumbo

試驗結果表明:

1)在三臂同時工作時，液壓油位于油位計的中位;在工作停止，大臂回收時，液壓油不超過液壓油箱的高位。試驗證明經改造后的油箱容量可滿足使用要求。

2)鉆孔工作時其液壓油溫度未超過75℃，證明其冷卻性能良好，可滿足使用要求。

改造后油箱成功應用表明，在對設備進行系統升級或改造時，應對其適用性進行充分論證，做好充足的前期準備工作，得到詳實的計算數據，才能為后續工作打下良好的基礎，做到理論為實踐服務。

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