中铁十一局集团第二工程有限公司 湖北十堰 442013
摘要：描述了液压系统发热而产生的危害，分析了液压系统热量的来源，提出了保证液压元件正常工作而采取的针对性降温措施.
关键词：液压系统，发热，降温
ABSTRACT：Describe the harm caused by the hydraulic system heating，analysis the source of the heating.Take effective measures to guarantee the hydraulic components in its normal condition.
KEYWORDS：hydraulic system，heating，lower the temperature
引言
工程机械液压系统的油温一般控制在30~60度，最高不超过60~70度，此温度下工作效率最高，但液压系统经常因油液发热出现工作性能差，甚至故障。
1.液压系统发热所造成的危害
液压系统发热是捆扰液压系统正常工作的重要问题之一。温升不仅使液压系统泄露增大、容积效率下降，而且使控制元件的性能发生变化。比如，由于油温上升引起油液黏度降低，导致溢流阀锥阀阻尼降低，使锥阀稳定性变坏，引起自激振荡噪声。溢流阀产生高频啸叫，使溢流阀不能正常工作。温升还使油液及液压系统中的橡胶密封圈软管等加快老化，影响其使用寿命。此外，温升会引起机械结构的热变形造成机械卡死和破坏已有的精度。
具体表现为：
⑴ 机械产生热变形，液压元件中热胀系数不同的运动部件因其配合间隙变小而卡死，引起动作失灵、影响液压系统的传动精度，导致部件工作质量变差。
⑵ 使油的粘度降低，泄漏增加，泵的容积效率和整个系统的效率会显著降低。由于油的粘度降低，滑阀等移动部件的油膜变薄和被切破，摩擦阻力增大，导致磨损加剧。
⑶ 使橡胶密封件变形，加速老化失效，降低密封性能及使用寿命，造成泄漏。
⑷ 加速油液氧化变质，并析出沥青物质，降低液压油的使用寿命。析出物堵塞阻尼小孔和缝隙式阀口，导致压力阀卡死而不能动作、金属管路伸长而弯典，甚至破裂等。
⑸使油的空气分离压降低，油中溶解空气逸出，产生气穴，致使液压系统工作性能降低。
2.液压系统中产生热量的来源
液压系统在实现能量转换与传递过程中，系统的阻力必然要消耗一部分能量，能量的损失表现为流量和压力损失。流量损失是指由压差与间隙引起的液压油泄露。泄露使有效流量减少、容积效率降低。泄露量与压差的乘积即为功率损失。由功率损失转换为热量。使液压系统温度升高。压力损失是指因液压油的粘性阻力和流经局部障碍时产生的压力降。前者被称为沿程压力损失，它是由液压油流动时的内摩擦引起的；后者称为局部压力损失，是由液流方向或流速等的突然变化，在局部区域内形成漩涡，使质点相互碰撞和剧烈摩擦而引起的。压力损失使功率消耗增加，有效输出能量减少。由压力损失引起的功率损耗转变为热量，也会使液压系统温度升高。
归纳后可以分为以下几类：
2.1 系统自身原因
⑴ 油箱容积太小，散热面积不够，未安装油冷却装置，或虽有冷却装置但其容量小。
⑵ 按快进速度选择油泵容量的定量泵供油系统，在工作时会有大部分多余的流量在高压下从溢流阀溢回而发热。
⑶ 系统中卸荷回路出现故障不能卸载或卸载时间短，停止工作时油泵不能卸荷，液压泵输出功率增大，泵的全部流量在高压下溢流，产生溢流损失而发热，导致温升。
⑷ 液压管道、管接头、油滤和各种元件的阻力压降，如系统管路过细过长，弯曲过多，局部压力损失和沿程压力损失大。
⑸ 元件多或设计流量小，或精度不够及装配质量差，或长时间高压卸载，节流堵塞，相对运动间的机械摩擦损失大。
⑹ 配合件的配合间隙太小，或使用磨损后导致间隙过大，内、外泄漏量大，造成容积失大，如泵的容积效率降低，温升快。
⑺ 液压系统工作压力调整得比实际需要高很多，压力阀调压高或有故障，有时是因密封过紧，或因密封件损坏、泄漏增大而不得不调高压力才能工作，也将导致油温升高。
2.2 系统外部原因
⑴ 气侯及作业环境温度高或另有热源，冷却效果差或散热不良，造成吸热和发热大于散热，油温必然升高。
⑵ 选择油液的粘度不当，粘度大粘性阻力大，粘度太小则泄漏增大；或者油液已经污染，均能造成发热温升。
应该讲造成系统发热的原因比较复杂，涉及面广，其根本原因是液压系统功率损失大，液压系统设计不当。另外，液压系统中相对运动元件的机械摩擦也是油温升高的另一个原因。
3.液压系统热量来源计算
（1）液压泵的机械损失和容积损失P1.png)
（1）
式中：Ti—— 工作循环周期（s）
n —— 投入工作的液压泵台数
Pλi——液压泵的输入功率（W）
ηM——液压泵的机械效率
ηQ——液压泵的容积效率
ti —— 各泵工作时间（s）
当油温正常时，ηM和ηQ均能按设计的效率运行，且能保证系统的温升在一定范围内，如果由于其他原因使油温升高或者油质变坏、油泵的磨损都将会使液压泵的机械效率和容积效率降低，如果系统还能正常的话，液压泵的输入功率Pλ必然增大，泵的损失将加大，这部分损失绝大部分转化为热量，更加剧了油温的升高，不能维持原因的平衡。
（2）溢流阀、液压元件及管路的功率损失P2.png)
（2）
式中：Tj——工作周期（s）
K——元件或管路数
ΔPj ——通过各元件或管路的进出口压差（Pa）
Qj ——通过各元件或管路的流量（m3/s）
tj——各元件工作时间（s）
正常工作时，P2变动不大，但如果油质变坏、变脏或滤油器未经清洗均会使ΔP加大，由于Qj和tj的乘积不会变（因工作部分必须达到要求），从而引起P2的加大，也就加大了油液的温升，而且溢流阀是元件中功率损失最大的元件，其ΔP最大。
（3）执行元件的功率损失P3.png)
（3）
式中：Tj——工作周期（s）
K——执行元件个数
Pi ——各执行元件的工作油压（Pa）
Qi ——各执行元件所需流量（m3/s）
ηi——液压泵的容积效率
ti——各元件工作时间（s）
由（3）式可以看出，任何一个元件的工作油压的提高，均会降低机械效率，损耗的能量均会提高油液的温度。
（4）内泄露功率损失P4
内泄露（除正常的允许泄露外）的增加将极大的加大功率损失，使油温升高，可由公式（2）进行计算。内泄露时，油液从工作油压变为回油油压其差ΔPj很大，泄露量Qj随情况而变，而tj为具有压差的工作时间，泄露处越多，量越大，能量损失越大，油温越高。
（5）液压系统的总发热量P
P=P1+P2+P3+P4。
这四部分热量积聚在一起，会使油温迅速升高，为了不影响元件正常工作，必须采取降温措施。
4.降温措施，针对性的措施有主动和被动两种
4.1 主动降温：
主动降温措施是提高系统的总效率。在设计液压系统时，力求减少系统压力和体积损失，要注意选用高效率的液压元件。
（1）选择过滤器时，流量和过滤精度选择不当会造成系统压差太大产生热量使整个系统发热。
（2）合理选择油管内径，尽量减少油管长度和弯曲处。
（3）在调速回路设计中，应避免将节流阀设置在液压缸的进油端，形成进油节流调速，这样会使系统能量在节流中转换成热量，油温升高。一般在不强调特定要求的情况下，选用变量泵定量马达、定量泵变量马达和变量泵变量马达等容积式调速回路中与工况相适应的一种，因为容积式调速回路的一个显著特点是温升低、效率高。
（4）对于要采用背压阀的液压系统，设计中可以在液压马达上加装具有背压功能的控制阀，这样可以减少压力损失，进而提高了系统效率。
（5）对于采用定量泵的液压系统，加一蓄能器可以有效地控制油温。蓄能器可以作为液压泵停止供油时的备用或辅助动力源，也可以用于制动系统的保压，并补充系统的泄露。
⑹采用限压式变量泵作为动力元件也可以有效地控制油温。因为系统中压力如果超过泵的设定值，泵的输出量就会趋于零，用来补充泵的泄露，以维持系统压力。
⑺尽量避免油液的污染，经常检查油液质量及配合面，管接头的密封，加入油箱的油要进行过滤，除去杂质。
4.2 被动降温：
被动降温措施主要是加强散热和冷却。
⑴ 散热
在液压系统中，系统产生的热量一般都靠油箱、元件及管件表面来散热，但是单靠这些是远远不够的，所以可以适当加大他们的表面积。而液压油温的有效控制是系统正常工作的基本前提，故专用的冷却装置及相应的冷却回路在大多数工程机械的液压系统中成为不可或缺的环节。这些系统和回路包括：回油旁路散热系统，控制系统供油泵散热，液压伺服控制型冷却系统，电力冷却系统等等。
⑵ 冷却
目前的冷却措施一般都是强制加在系统中的，常见的有水冷、风冷和加装油冷却机方式。
水冷方式就是在液压系统回油管路上加水冷却器。按散热效果分主要有多管式、翅片管式、滚牙管式等。
风冷方式比较简单。将热油引入冷却器，经过高导热性铜管和高效铝翅片将油液中的热量传递到换热器表面，被风机产生的循环空气带走，使油液温度降低。
风冷冷却效果不及水冷。但是在某些情况下，例如在野外工作的08-32捣固车，携带水不太容易，不可能及时地更换冷却水，因此冷却完系统的水必须经过再一次冷却才可以重复使用，所以水冷并不可行。而尽管风冷的冷却效果（主要通过电扇）不如水冷，但考虑到08-32捣固车的工作环境，风冷仍然是较好的选择。这种方式要选择它的电扇的能量来源：一个是电机驱动，另一个是油泵驱动。电机驱动的话，系统必须要有足够的电能。但在实际情况下，往往用油泵来驱动。
加装油冷却机。这种冷却方式比较可靠，对油温可实现自动控制。它主要由油泵、蒸发器、压缩机、冷凝器、风扇电机等组成。根据温度控制方式有室温同调型和温度固定型两种。
另外，若是周围环境温度过高使系统温度升高，则要利用隔热保温材料、反射板等，使系统与外界热源隔绝。
液压系统的控制受到多方面的影响，我们相信随着科学技术的发展，将有更多更好的液压油温控制方式出现，统筹兼顾把对系统温升的影响降到最低，最终找到一个高性能、稳定又经济的方案，彻底解决液压系统中发热问题。
5.结束语
本文描述了液压系统发热所产生的危害，分析了液压系统发热的原因，提出了两种的降温措施：主动降温和被动降温。
⑴ 主动降温：主动降温措施是提高系统的总效率。在设计液压系统时，力求减少系统压力和体积损失，要注意选用高效率的液压元件。
⑵被动降温：被动降温措施主要是加强散热和冷却。
参考文献：
[1]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2003.
作者简介：
屈健（1980.10）男，工程师，2004年毕业于中南大学机械设计制造及其自动化专业，学士学位。
论文作者:屈健
论文发表刊物:《基层建设》2015年7期
论文发表时间:2016/9/1
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