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閉式液壓系統內部油溫的熱平衡是決定系統工作壽命,甚至能否正常工作的重要因素之一。因而在設計閉式液壓系統時,設計者需要對整個系統的熱平衡進行一個概算,從而對這個系統的溫升有一個評估和判斷,極大的避免了盲目試驗。筆者結合現在的認識,對閉式液壓系統做如下的概略分析,以期拋磚引玉之效。
在設計計算系統熱平衡之前,首先需要確定對于這個系統,最高的內部油溫t2不超過100℃,在系統工作壓差超過14Mpa時,設計t2定為95℃,油箱溫度t1定位65℃,系統溫度循環如下圖所示: 系統發熱量: 在閉式液壓系統中,由于局部和沿程壓力損失、內部泄漏及運動部件摩擦力的存在,會導致一部分系統功率損失,這一部分損失的功率會轉化成熱量被系統的油液及元器件所吸收,使系統溫度升高。根據能量守恒定律,系統損失的功率將轉化成熱量,即系統的損失功率為系統的發熱功率。如果設系統的功率為P,總效率為η=0.65~0.75,系統的總發熱功率為Pt,則有 P=Q△P(1-η)/60 (kW) (1) 式中:Q為主泵的流量,L/min;△P為系統的工作壓差,Mpa。 系統散熱量: 整個散熱系統可理解分為三級,第一級為補油泵的沖洗散熱,第二級為油散熱器的散熱,第三級為油箱散熱。 閉式系統的大部分熱量是靠補油泵的低溫油液置換沖洗帶走。若不計液壓元件表面散熱,單位時間內,當補油泵的低溫油和系統的高溫油達到熱平衡(溫度計為t)時,系統發熱量等于沖洗散熱量,則散熱功率: P=LρC△T/60(kW)(2) 式中:L為補油泵流量,L/min。ρ為液壓油密度 0.85kg/L。 C為液壓油比熱容,kJ/(kg·°C),取1.88。 △T為低溫油和熱平衡油溫度之差,°C。△T=t-t1 設補油系數為K=L/Q=0.15~0.25。(3) 聯合(1)、(2)和(3)式得△T=(4) 由式(4)可知,對于選定的液壓油品、液壓泵和馬達,液壓油密度ρ、液壓油比熱容C、總效率為η和補油系數K為定值,系統一級溫升△T與系統的工作壓差△P成正比。 在忽略系統泄漏的前提下,系統達到熱平衡的溫度t=(5) △T=t-t1(6) 由(4)、(5)、(6)和(7)可得:t2=(1+K)t-Ktl=K△T+t。(7) 求出的t2與上文設定值進行比較,也即滿足條件t2≤95℃。 液壓油散的二級散熱。散熱器所需的散熱功率: P=(t-t3)CρQ/60,(kW)(8) 式中:Q為進入油散的回油流量,L/min. t3為油散出口油溫,℃液壓油箱的三級散熱。液壓油箱的散熱功率: P=KA(t1-T)x10,(kW)(9) 式中:K為油箱散熱系數,與通風條件有關,一般30~55W/m·℃ A為油箱的散熱面積,m。 T為環境溫度,℃ 從散熱器進入油箱的油液冷卻至油箱溫度t1所需功率近似等于液壓油箱的自然散熱功率,從而保證油箱油溫的基本恒定,即: P=△TCρQ/60(10) T=t3-t1(11) 結合式(9)、(10)可得△T=x10,(℃)(12) △T一般為3~7℃,反映了油箱的降溫作用。 結合式(11)、(12)可得t3=t1+△t(13) 再由式(8)和(13),可以計算出散熱器所需的散熱功率P。 由以上分析可見: 系統一級溫升△T與系統的工作壓差△P成正比,與補油系數K即補油流量成反比。不能簡單地根據油箱油液溫度來推斷系統內部的油液溫度,而必須同時考慮負荷和補油流量才能正確地得出結論。 正確匹配油散很重要,如果二級散熱作用不好,直接導致油箱油液溫度升高,最終反映在系統最高油溫t2的超高上。 在進行閉式液壓系統設計時,如果系統負荷大,使用壓力高,則必須相應加大換熱量,即增加低溫補油量L(或K)來置換出系統內更多的高溫油液,并將其通過散熱器進行冷卻,以解決系統的散熱問題。 |
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