液压设备散热系统的分析和设计方法.docx
- 文档编号:15904742
- 上传时间:2023-07-08
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:259.18KB
液压设备散热系统的分析和设计方法.docx
《液压设备散热系统的分析和设计方法.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《液压设备散热系统的分析和设计方法.docx(11页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
液压设备散热系统的分析和设计方法
液压设备散热系统的分析和设计方法
一、概述液压散热系统的组成和重要性
液压系统通常有四部分组成,分别为动力源部分、执行部分、控制部分和辅助部分,散热系统划归在系统的辅助部分。
液压系统在工作过程中,压力、容积和机械损失均会构成系统总的能量损失,这些能量损失转换为热量,使系统的液压介质--液压油油温升高,如果此温度不处于各元件和系统能承受的范围,则必须增加布置系统进行额外的散热冷却,以便使系统温升得以控制,从而确保设备的整体性能的可靠、稳定、元件的寿命和系统的运行效率得以保证。
由于液压系统驱动的设备纷繁复杂,各系统本身元件规格、作业工作
等级、环境温度都不相同,而目前行业教课书或冷却设备厂商对如何选型说明的比较简略,因此如何判断一个设备是否需要额外增加散热设备以及散热设备的能量都需要有科学的分析依据和可行的方法,这是本文探讨的重点。
二、液压设备的散热分析以及散热设备的计算选项
目前风冷冷却器厂家对于冷却器的选型通常推荐有两种方法,一种是通过测算已有的设备一定时间内油的温升,从而根据油的温升来计算功率损失,来倒推选择额外的冷却器规格;另一种是采用估算系统功率损失的方式,对于没有变量类,散热功率取驱动功率的15-20%,对于有变量时取约功率的30%。
以上选型方法一,是根据已有液压系统的温升结果来倒推为冷却器选型,既不能满足设备在现实生产中的持续使用,也不能满足设备建造早期为整个液压动力站作一体化设计和生产,不值得推广。
而选型方法二,采用简单的估算方法,忽视了每个系统的工况个性,如机构动作的周期间隔、油箱内液压油本身在设备运行时温升时的吸热能力、各工序发热功率不均衡的情况,往往会导致冷却器选型的浪费或规格不足,也不能科学的应用于现代化设备的设计和生产中。
在现实的工程项目中,如何做到可靠、经济的散热系统选型,需要对系统的发热情况进行统计分析,然后再找出规律和方法。
液压系统设备由液压油泵、阀件、管路、油箱、油缸或液压马达、液压介质组成。
这些液压元件本身就起着传输热量(从外界吸热或散热)的作用,我们定义他们为设备的“本体散热”部分。
当“本体散热”部分不足以平衡系统的发热时,系统就需要增加“外加散热”设备。
所以系统的配置中,综合考虑设备安装的空间尺寸,通风情况、设备成本,作业工况来确定系统的散热组成,才能达到一个科学可行、经济的实用效果。
笔者通过工程项目的实践摸索,总结出以下的步骤,以供行业内同仁参考和探讨:
第一步:
收集该工程设备的基本参数如下:
环境温度中的最高温度t0、设备最高允许液压油温度tmax、液压油的容积v、液压油箱的散热面积A、液压站通风情况确定散热系数K、设备作业时间T和循环周期Tj,以及各工序的工作时间t1,t2,t3等;
第二步:
计算设备一个周期内各工序的发热功率和发热能量;
第三步:
根据常见的几种设备发热工况比较、分析、搭建散热系统。
1:
无论设备是间歇式运行或是连续式作业,如油箱在设备处于最高允许工作温度、规定的通风条件下,散热能力大于该设备各工序的发热功率时,设备不需要增加“外加散热”设备;
2:
当设备为间歇式运行,或一次型运行情况,如果间隔时间大于油箱从设备允许最高温度降低到环境温度所需时间,而设备一个周期内各工序总的发热能量不足以使液压系统油温从环境温度温升到最高允许温度的案例,设备也无需增加“外加散热”设备;
3:
除去以上两种情况的其他情况,系统设备需要增加“外加散热”设备,此时根据设备的允许工序是否为有规律周期可以分为两种情况来确定“外加散热”设备的能力规格。
在设备散热选型时,对于油泵、管路、执行机构元件、油箱向外界不确定的散热都忽略不计,以使系统在日后的运行中有更好的可靠性。
对于设备运行工序规律明确的,作“工序发热功率VS时间图”;依照以下方法确定“外加散热”设备的能力规格:
查找所有工序中一个或相邻连续的工序中,最短时间内使液压油从预期工作温度温升到工作介质最高允许温度中的,以这一个工序或相邻的工序的平均发热功率作为系统“外加散热”设备的选型计算依据,这样排除了只以能某个工序发热功率最大,作为系统“外加散热”设备的选型计算依据,但最大发热功率状态下工作时间实际短的情况而造成的选型上偏大带来的浪费。
对于设备各机构动作时间长短不能确定、工序顺序不能确定的,依照以下方法确定“外加散热”设备的能力规格。
取设备所有工序中,发热功率最大的,作为系统的“外加散热”设备的选型计算依据。
三、行业中常见散热系统的案例分析和选型
1:
大型浮吊的回转体千斤顶顶升液压系统设备散热案例分析;
:
该设备参数收集:
参变量名称
符号
数值
单位
环境温度
t0=
45
°C
允许最高温度
tmax=
65
°C
液压油容积
V=
180
L
油箱散热面积
A=
2.58
M2
通风环境系数
K=
15
W/(m2.C)
四根油缸总容积
VC=
52.8
L
各工序动作时间
千斤顶上升动作时间
T1=
10
min
水平垫块滑移时间
T2=
2
min
千斤顶下降动作时间
T3=
5
min
循环间隔时间
T间隔=
300
min
:
各工序的发热功率和发热量
系统原理图如下
图表1浮吊回转体千斤顶液压系统
设备工况说明:
此系统为大型海洋浮式起重船回转体顶升设备,作用是大型海工起重船在重载起吊时,为了避免回转滚轮承受起重载荷,需要使用千斤顶将浮吊上部回转体顶起后,水平拉动垫块,再将千斤顶落下,最终使浮吊在起重时臂架的受力直接通过垫块传导到船体。
此系统已经成功用于“华天龙”4000T浮吊、“蓝鲸”号7500T浮吊,以及“振华30号”12000t浮吊上。
千斤顶顶升过程发热功率和发热量:
P1=
=
=2.41kw
J1=P1XT1=2.41x600=1446KJ
水平垫块滑移过程发热功率和发热量:
p2=
=
=1.31kw
J2=P2XT2=1.31x120=157.2KJ
千斤顶下降过冲发热功率和发热量:
由于下降用控制油打开千斤顶液压锁后,千斤顶在回转结构重力下被压缩缩进,下降空阻尼节流控制,
q=
=
=10.6l/min;
P3=
+
=
+
=12.33KW
J3=P3XT3=12.33x300=3699KJ
以上三个工序总共发热量Jtotal:
Jtotal=J1+J2+J3=1446+157.2+3699=5302.2KJ
系统液压油从环境温度上升到允许最高温度所需吸收热量:
J油=V*(tmax-t0)*C*ρ=200*(65-45)*1.872*0.88=6589KJ
油箱的最大散热功率:
Qmax=Δt*0.065*K*V3/2=(65-45)*0.065*15*2003/2=0.667KW,平均散热功率Q平均=Qmax/2=0.33KW
油温通过油箱从最高允许温度散热到环境温度的时间:
T=(J1+J2+J3)/Q平均=(1466+157.2+3699)/0.33=267min;
:
比较分析搭建散热系统
由于浮吊顶升设备的循环实用时间间隔T间隔大于油箱所需的散热时间T,并且设备每次运行过程中液压油从环境温度温升到允许最高温度所需的热量大于设备各机构发热的总和,所以该设备尽管是循环使用但不需要增加额外的“外加散热”设备。
2:
铺管设备DAVIT吊液压系统设备散热案例分析;
:
该设备参数收集:
参变量名称
符号
数值
单位
环境温度
t0=
45
°C
允许最高温度
tmax=
65
°C
液压油容积
V=
1600
L
油箱散热面积
A=
6.16
M2
通风环境系数
K=
15
W/(m2.C)
各工序动作时间
变幅机构下降动作时间
T1=
2
min
起升机构下降动作时间
T2=
120
min
起升机构上升动作时间
T3=
120
min
变幅机构上升动作时间
T4=
2
min
循环间隔时间
Tj=
∞
min
:
各工序的发热功率和发热量
该系统原理图如下
图表2铺管船DAVIT吊液压系统
设备工况说明:
DAVIT吊是海洋石油铺管船上配备的设备,以打捞铺管船因为天气原因而暂时抛弃在海底的各种管材。
该吊机通常作业工序为:
变幅伸出→起升满载下降→脱钩后空载上升→变幅缩回。
变幅机构下降过程发热功率和发热量:
P1=
=
=1.63kw
J1=P1XT1=1.63x120=195.6KJ
起升机构满载下降过程发热功率和发热量:
由于此开式液压系统起升下降时完全靠平衡阀节流调整机构匀速运行,地球做的功消耗在平衡阀的节流上,同时液压油进入到马达低压侧时仍有一部分发热量。
P2=
=
+(500X2.5/60)=40.2KW
J2=P2XT2=40.2x7200=289440KJ
起升机构空载上升过程发热功率和发热量:
P3=
=
=7.7kw
J1=P1XT1=7.7x7200=55440KJ
变幅机构上升过程发热功率和发热量:
P4=
=
=3.91kw
J4=P4XT4=3.91x120=468.2KJ
系统液压油从环境温度上升到允许最高温度所需吸收热量:
J油=V*(tmax-t0)*C*ρ=1600*(65-45)*1.872*0.88=52715.5KJ
:
比较分析搭建散热系统
为方便找出查找所有工序中一个或相邻连续的工序中,最短时间内使液压油从预期工作温度温升到工作介质最高允许温度,作“工序发热功率VS时间图”
图表3各工序发热功率VS时间图
从图中很容易看出起升机构满载下降这个工序是最短时间内能使系统油温达到最高允许温度的工序,散热设备的“外加散热”设备的功率应以此功率作为依据。
综合考虑液压站的布置,系统选择风冷却,由于各工序运行的回油流量不均衡,并且不足,因此选择了回油冷却,但旁路补充液压热油的方式。
风冷器的当量冷却功率P01:
P01=
=
=2.01KW/°C
根据冷却器厂家的样本曲线,选择旁路冷却器:
LAC-M078-6-B-0-00的型号,以保证在起升机构满载下降时,进入冷却器总流量约300l/min,冷却器当量冷却能力约2.2KW/°C。
该DAIVT吊在铺管船作业过程中,性能一直很稳定可靠,实践证明此配置是合理的。
四、液压设备散热系统设计中的注意事项和总结
本文收集和分析了液压设备常见工况的发热、散热情况,并对应作了散热系统的计算设计介绍,笔者在从业过程中,依据此方法进行设备散热系统设计,实践证明是可行的。
但工程项目中,要确保设备的散热设备能可靠的发挥出其作用,还有以下一些注意事项:
1:
如冷却器选择的是风冷方式,风冷却器所需要的空气的流入量和流入温度,以及空气的流出方向和通道也需要畅通,尤其是冷却器安装在液压动力站内的情况;如冷却器选择的是水冷方式,冷却器的板材材质或列管材质需要与冷却水源匹配,同时冷却水和液压油的流入、流出接入冷却器的位置方向需要注意;
2:
冷却器本身的承压能力的校核,由于液压油流经冷却器最后达到油箱,此时会产生沿程压力差,而液压油在不同温度下的黏度不同,尤其是液压油在冬季时,冷却器实际的承压需要作出计算,如果压力超过冷却器本身能承受压力,需要增加旁路冷却以保护冷却器;
3:
工程设备中,散热设备的散热能力(功率不仅与其本身的尺寸规格相关,还有系统本身允许的最高温度和环境温度差,以及进入到冷却器的流量直接相关,需要根据冷却器的选项样本,匹配进入到冷却器的流量。
往往单纯的依靠设备的回油流量是不够的,此时需要考虑增加额外的旁路循环的液压介质进入到冷却器;并且设备回油路上的流量往往因为设备各机构运行流量的不同而不同,此时也需要综合考虑进入到冷却器的流量;
4:
对于提升起重类的设备,如系统是开式系统控制方式,设备在满载全速下降过冲中整个系统的发热量往往最大的。
5:
对于设备中柱塞泵、液压马达在高速运转、大功率运行的情况下,为避免轴承、壳体温度过高需要相应的增加这些元件的冲洗冷却,以控制元件的温升,保证元件的寿命;
6:
对于散热器的选择,选用风冷利用空气进行冷却,不需要冷却水,但风机运行的噪音比较高,同时受环境温度的制约,散热器的尺寸规格相对水冷却较大;选用水冷却,效果好,噪音低,但需要额外的水资源。
具体项目中要根据实际设备的布置情况综合考虑权衡。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 液压 设备 散热 系统 分析 设计 方法