某型随车起重机液压系统高原适应性试验热平衡分析

李世民, 贾宇飞, 陈运兴, 梁媛媛

(1. 北京特种车辆研究所，北京 100072; 2. 复杂地面系统仿真重点实验室，北京 100072)

某型随车起重机液压系统高原适应性试验热平衡分析

李世民1,2, 贾宇飞1,2, 陈运兴1, 梁媛媛1

(1. 北京特种车辆研究所，北京 100072; 2. 复杂地面系统仿真重点实验室，北京 100072)

为科学评价特种车辆随车起重机在高原环境条件下的遂行保障能力，通过分析其液压系统在可靠性试验过程中的热平衡，计算得到了系统达到热平衡时的系统热量以及其随时间历程的变化规律，进而得到了液压系统散热器在高原环境条件下的散热功率约为7.06 kW，液压系统的有效功率约为83%。研究结果对类似保障装置的高原适应性试验及鉴定具有借鉴意义。

液压系统；热平衡；有效功率；高原适应性

液压系统热平衡是决定系统工作寿命和工作效率的重要因素之一[1]。高原气候环境气压低、含氧量低、低温期长、昼夜温差大、风沙大，这些因素容易导致液压系统匹配性恶化，不仅不能充分利用发动机的最大功率，而且还会导致其动力不足及低效传动，使相当一部分功率内耗转化为热量，并且由于高原空气稀薄，液压系统散热效率下降，使得液压油油温恶性上涨，从而形成恶性循环[2]。本文以某型随车起重机在高原环境条件下的可靠性试验为例，具体分析研究液压系统热平衡及系统热量随时间历程的变化规律，为科学评价液压系统高原环境适应性提供理论依据。

1 液压系统热平衡基本理论

根据能量守恒定律，液压系统损失的功率将转化成热量，即系统损失功率为系统的发热功率，所以系统达到热平衡时，发热功率和散热功率持平。由于液压系统元器件、油箱的自然散热相对较小[3]，因此可以认为系统达到热平衡时，发热功率与散热器的散热功率相等。设液压系统热量为Q，系统发热功率为Pf，散热功率为Ps，则系统热量对时间的导数为系统发热功率与散热功率之差[4]：

(1)

由热力学公式可得

(2)

式中:C为液压油比热容(kJ/(kg·℃))；ρ为液压油密度(kg/L)；L为液压油容积(L)；ΔT为液压油油温与环境温度的温差(℃)；K为散热器散热系数(kW/( m2·℃))；A为散热面积(m2)。

联合式(1)、(2)得

(3)

初始条件为t=0时，系统热量Q=0，解方程(3)得

(4)

当系统达到热平衡时，Ps=Pf，由式(4)可得

(5)

由式(4)、(5)可以得到液压系统热量的时间历程,如图1所示。可见:在液压系统工作初期，由于油温与环境温度相当，所以散热器散热功率较小，液压油温度随着液压系统做功逐渐升高，直到油温与环境温度的温差足够大时，系统发热功率与散热器散热功率持平，系统热量趋于不变。

图1 液压系统热量时间历程曲线

2 试验结果及热平衡分析

2.1 试验数据

某型特种车辆随车起重机在高原环境下进行连续2 h和220次可靠性试验，记录试验过程的液压油油温、油压以及相应的环境温度，监控液压系统和随车起重机起吊装置的工作情况。其中：液压系统液压油油压见表1，温差(液压油温度与环境温度的温差)随时间的变化情况如图2所示。

表1 随车起重机可靠性试验油压

图2 试验过程中温差随时间的变化情况

在该试验中，液压系统和起吊装置的工作情况为：1)液压系统控制阀的压力符合试验要求；起吊设备无乱绳、振颤、冲击等异常情况；2)液压系统工作正常，无渗油、漏油和油管爆裂等现象;3)液压油最高油温57 ℃，小于允许最高油温80 ℃(技术要求)；4)油压最高14 MPa，小于其额定工作压力22 MPa(技术要求)，压力指示稳定、无抖动;5)达到热平衡时，液压油油温在40～43 ℃范围内。

2.2 热平衡分析

随车起重机在发动机转速1 500 r/min的标定工况下，起吊额定载荷6.3 t时，液压系统输出功率P=42 kW，ρ=0.85 kg/L，C=1.88 kJ/(kg·℃)，L=120 L。为了计算液压系统热平衡，试验进行到第96-105次时，关闭液压系统散热器，此时液压系统没有散热，系统损失功率全部用于液压油升温；第106-145次时，打开散热器。由第96-105次的油温上升情况可以推出：每10次额定载荷的起吊作业可以使液压油油温上升

(6)所以，第i次起吊作业散热器散热降低的油温ΔTΦi为

(7)

散热器散热功率为

(8)

表2 第106-145次可靠性试验结果

随车起重机在第146-220次可靠性试验时，液压系统基本达到热平衡。通过最小二乘法插值计算可知：当ΔT=25 ℃时，随车起重机液压系统达到热平衡，此时系统的散热功率Ps=6.75 kW，则Pf=6.75 kW。通过第0-52次可靠性试验数据，由式(2)计算试验系统热量Qs，式(4)计算理论系统热量QL，如表3所示。

表3 第0-52次可靠性试验系统热量

由式(2)不难看出：Ps与ΔT成正比例关系。对表3中的数据进行线性插值计算，可以模拟计算出Ps与ΔT的关系为

(9)

由式(2)、(9)可知：

KA=0.27(kW/℃)。

由于未考虑液压系统元器件、油箱的自然散热，所以系统热量的理论值要比其试验值稍高些，剔除奇点(试验初始),插值修正后可得Pf=7.06 kW,即系统达到热平衡时，Ps=Pf=7.06 kW。故可得系统达到热平衡时系统的有效功率η为

(10)

由式(5)可得系统达到热平衡时，系统热量为

(11)

由式(4)、(5)、(11)可得系统热量为

(12)

根据式(12)可得到可靠性试验中各点的系统热量模拟值，其模拟曲线如图3所示,可知：除试验初始部分奇点外，其余试验数据基本在理论模拟曲线附近波动，若不考虑试验过程中人为因素的影响，可认为试验数据很好地反映了液压系统的工作状况。

图3 系统热量试验值与理论模拟值对比

3 结论

根据某型特种车辆随车起重机在高原环境条件下的可靠性试验，分析了其液压系统热平衡,计算得到液压系统达到热平衡时，其系统热量约为4 835 kJ，散热器散热功率约为7.06 kW，液压系统的有效功率约为83%。计算模拟得到了液压系统热量随时间历程的变化曲线,结果表明：在短期内，高原环境因素对液压系统影响并不明显，各项性能指标均满足使用要求。本文分析过程可为类似保障装置液压系统的热平衡分析提供借鉴，对相关装置高原环境适应性试验与鉴定具有一定的参考意义。

[1] 张林慧. 闭式液压系统油温过高的分析与计算[J]. 煤矿机械, 2011, 32(11): 38-40.

[2] 罗国锋. 高原沙漠环境下的液压系统油温自动控制装置[J]. 科技情报开发与经济, 2003, 13(5): 76-77.

[3] 张旭, 冉恒谦, 刘凡柏,等. 2000米全液压岩心钻机下放钻杆过程中液压系统热平衡分析[J]. 探矿工程: 岩土钻掘工程, 2010, 37(11): 29-31.

[4] 张伟, 贾福音, 董孟娟. 液压系统热平衡匹配研究[J]. 液压气动与密封, 2013(1): 49-53.

(责任编辑: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

国防科技重点实验室基金资助项目(2014A29)

李世民(1982-)，男，工程师，博士。

TH21

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.009