某型隨車起重機液壓系統高原適應性試驗熱平衡分析

李世民, 賈宇飛, 陳運興, 梁媛媛

(1. 北京特種車輛研究所，北京 100072; 2. 復雜地面系統仿真重點實驗室，北京 100072)

某型隨車起重機液壓系統高原適應性試驗熱平衡分析

李世民1,2, 賈宇飛1,2, 陳運興1, 梁媛媛1

(1. 北京特種車輛研究所，北京 100072; 2. 復雜地面系統仿真重點實驗室，北京 100072)

為科學評價特種車輛隨車起重機在高原環境條件下的遂行保障能力，通過分析其液壓系統在可靠性試驗過程中的熱平衡，計算得到了系統達到熱平衡時的系統熱量以及其隨時間歷程的變化規律，進而得到了液壓系統散熱器在高原環境條件下的散熱功率約為7.06 kW，液壓系統的有效功率約為83%。研究結果對類似保障裝置的高原適應性試驗及鑒定具有借鑒意義。

液壓系統；熱平衡；有效功率；高原適應性

液壓系統熱平衡是決定系統工作壽命和工作效率的重要因素之一[1]。高原氣候環境氣壓低、含氧量低、低溫期長、晝夜溫差大、風沙大，這些因素容易導致液壓系統匹配性惡化，不僅不能充分利用發動機的最大功率，而且還會導致其動力不足及低效傳動，使相當一部分功率內耗轉化為熱量，并且由于高原空氣稀薄，液壓系統散熱效率下降，使得液壓油油溫惡性上漲，從而形成惡性循環[2]。本文以某型隨車起重機在高原環境條件下的可靠性試驗為例，具體分析研究液壓系統熱平衡及系統熱量隨時間歷程的變化規律，為科學評價液壓系統高原環境適應性提供理論依據。

1 液壓系統熱平衡基本理論

根據能量守恒定律，液壓系統損失的功率將轉化成熱量，即系統損失功率為系統的發熱功率，所以系統達到熱平衡時，發熱功率和散熱功率持平。由于液壓系統元器件、油箱的自然散熱相對較小[3]，因此可以認為系統達到熱平衡時，發熱功率與散熱器的散熱功率相等。設液壓系統熱量為Q，系統發熱功率為Pf，散熱功率為Ps，則系統熱量對時間的導數為系統發熱功率與散熱功率之差[4]：

(1)

由熱力學公式可得

(2)

式中:C為液壓油比熱容(kJ/(kg·℃))；ρ為液壓油密度(kg/L)；L為液壓油容積(L)；ΔT為液壓油油溫與環境溫度的溫差(℃)；K為散熱器散熱系數(kW/( m2·℃))；A為散熱面積(m2)。

聯合式(1)、(2)得

(3)

初始條件為t=0時，系統熱量Q=0，解方程(3)得

(4)

當系統達到熱平衡時，Ps=Pf，由式(4)可得

(5)

由式(4)、(5)可以得到液壓系統熱量的時間歷程,如圖1所示。可見:在液壓系統工作初期，由于油溫與環境溫度相當，所以散熱器散熱功率較小，液壓油溫度隨著液壓系統做功逐漸升高，直到油溫與環境溫度的溫差足夠大時，系統發熱功率與散熱器散熱功率持平，系統熱量趨于不變。

圖1 液壓系統熱量時間歷程曲線

2 試驗結果及熱平衡分析

2.1 試驗數據

某型特種車輛隨車起重機在高原環境下進行連續2 h和220次可靠性試驗，記錄試驗過程的液壓油油溫、油壓以及相應的環境溫度，監控液壓系統和隨車起重機起吊裝置的工作情況。其中：液壓系統液壓油油壓見表1，溫差(液壓油溫度與環境溫度的溫差)隨時間的變化情況如圖2所示。

表1 隨車起重機可靠性試驗油壓

圖2 試驗過程中溫差隨時間的變化情況

在該試驗中，液壓系統和起吊裝置的工作情況為：1)液壓系統控制閥的壓力符合試驗要求；起吊設備無亂繩、振顫、沖擊等異常情況；2)液壓系統工作正常，無滲油、漏油和油管爆裂等現象;3)液壓油最高油溫57 ℃，小于允許最高油溫80 ℃(技術要求)；4)油壓最高14 MPa，小于其額定工作壓力22 MPa(技術要求)，壓力指示穩定、無抖動;5)達到熱平衡時，液壓油油溫在40～43 ℃范圍內。

2.2 熱平衡分析

隨車起重機在發動機轉速1 500 r/min的標定工況下，起吊額定載荷6.3 t時，液壓系統輸出功率P=42 kW，ρ=0.85 kg/L，C=1.88 kJ/(kg·℃)，L=120 L。為了計算液壓系統熱平衡，試驗進行到第96-105次時，關閉液壓系統散熱器，此時液壓系統沒有散熱，系統損失功率全部用于液壓油升溫；第106-145次時，打開散熱器。由第96-105次的油溫上升情況可以推出：每10次額定載荷的起吊作業可以使液壓油油溫上升

(6)所以，第i次起吊作業散熱器散熱降低的油溫ΔTΦi為

(7)

散熱器散熱功率為

(8)

表2 第106-145次可靠性試驗結果

隨車起重機在第146-220次可靠性試驗時，液壓系統基本達到熱平衡。通過最小二乘法插值計算可知：當ΔT=25 ℃時，隨車起重機液壓系統達到熱平衡，此時系統的散熱功率Ps=6.75 kW，則Pf=6.75 kW。通過第0-52次可靠性試驗數據，由式(2)計算試驗系統熱量Qs，式(4)計算理論系統熱量QL，如表3所示。

表3 第0-52次可靠性試驗系統熱量

由式(2)不難看出：Ps與ΔT成正比例關系。對表3中的數據進行線性插值計算，可以模擬計算出Ps與ΔT的關系為

(9)

由式(2)、(9)可知：

KA=0.27(kW/℃)。

由于未考慮液壓系統元器件、油箱的自然散熱，所以系統熱量的理論值要比其試驗值稍高些，剔除奇點(試驗初始),插值修正后可得Pf=7.06 kW,即系統達到熱平衡時，Ps=Pf=7.06 kW。故可得系統達到熱平衡時系統的有效功率η為

(10)

由式(5)可得系統達到熱平衡時，系統熱量為

(11)

由式(4)、(5)、(11)可得系統熱量為

(12)

根據式(12)可得到可靠性試驗中各點的系統熱量模擬值，其模擬曲線如圖3所示,可知：除試驗初始部分奇點外，其余試驗數據基本在理論模擬曲線附近波動，若不考慮試驗過程中人為因素的影響，可認為試驗數據很好地反映了液壓系統的工作狀況。

圖3 系統熱量試驗值與理論模擬值對比

3 結論

根據某型特種車輛隨車起重機在高原環境條件下的可靠性試驗，分析了其液壓系統熱平衡,計算得到液壓系統達到熱平衡時，其系統熱量約為4 835 kJ，散熱器散熱功率約為7.06 kW，液壓系統的有效功率約為83%。計算模擬得到了液壓系統熱量隨時間歷程的變化曲線,結果表明：在短期內，高原環境因素對液壓系統影響并不明顯，各項性能指標均滿足使用要求。本文分析過程可為類似保障裝置液壓系統的熱平衡分析提供借鑒，對相關裝置高原環境適應性試驗與鑒定具有一定的參考意義。

[1] 張林慧. 閉式液壓系統油溫過高的分析與計算[J]. 煤礦機械, 2011, 32(11): 38-40.

[2] 羅國鋒. 高原沙漠環境下的液壓系統油溫自動控制裝置[J]. 科技情報開發與經濟, 2003, 13(5): 76-77.

[3] 張旭, 冉恒謙, 劉凡柏,等. 2000米全液壓巖心鉆機下放鉆桿過程中液壓系統熱平衡分析[J]. 探礦工程: 巖土鉆掘工程, 2010, 37(11): 29-31.

[4] 張偉, 賈福音, 董孟娟. 液壓系統熱平衡匹配研究[J]. 液壓氣動與密封, 2013(1): 49-53.

(責任編輯:尚菲菲)

Thermal Balance Analysis of Hydraulic System on a Certain Crane in the Plateau Adaptability Test

LI Shi-min1,2, JIA Yu-fei1,2, CHEN Yun-xing1, LIANG Yuan-yuan1

(1. Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072, China；2. Key Laboratory of Complex Land System Simulation, Beijing 100072, China)

For scientifically evaluating the support ability of the special vehicle crane in the plateau environment, the thermal balance of the hydraulic system is analyzed in the reliability test, the system heat and its changing regularity on the time is calculated when the system achieves thermal equilibrium. Then, it is obtained that the cooling power of the radiator is about 7.06 kW in the plateau environment and its effective power of the hydraulic system is about 83%. The results provide some reference for the plateau adaptability test as well as appraisement on the similar devices.

hydraulic system; thermalbalance; effective power; plateau adaptability

1672-1497(2015)01-0048-03

2014- 08- 27

國防科技重點實驗室基金資助項目(2014A29)

李世民(1982-)，男，工程師，博士。

TH21

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.009