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闭式液压系统油温热问题研究

2020-09-03 500 上传者：管理员

摘要：为分析飞机除冰车闭式液压系统油温过热问题，根据系统产热和散热关系，建立闭式液压系统的热平衡数学模型，利用AMEsim软件对系统进行仿真分析，通过对比实验与仿真结果，验证仿真模型的有效性，预测了系统稳定时的温度，在此基础上提出了降低油温的方法。研究结果表明:所建立的系统热分析模型是有效的，预测的稳定温度是可信的，所提出的降低油温的方法是可行的。避免了采用传统经验估算不准引起的能量损失或散热不足现象，具有一定的借鉴意义。

关键词：
AMEsim仿真
产热和散热
工业技术
热稳定分析
闭式系统
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液压系统的油液温度是影响系统稳定的重要参数之一。系统油液温度过高会使液压油氧化失效，缩短液压油的使用寿命，伴随产生的杂质会阻塞管道;液压油温度上升后，液压油的粘度降低，油膜强度降低，系统泄漏量加大，液压元器件磨损厉害，缩短液压元件的使用寿命;而且，液压密封件、液压胶管、过滤器等都要求系统具有相对稳定的工作温度[1,2]。

在闭式液压系统中，元件内部泄漏和运动部件摩擦会产生功率损失，损失的能量将转变为热量被系统的液压油及元件吸收，使系统油温升高。与此同时，闭式系统是油液内循环，系统散热能力差;与开式系统相比，闭式系统油温过高问题更为显著。近些年来，国内专家和学者对闭式液压系统做了大量的研究工作。刘文平[3]对闭式液压系统进行仿真建模分析，分析导致油温过高的环境因素和工作参数，并对系统补油量进行确定。

张林慧[4]介绍了典型的车辆行走闭式液压系统，并对系统热平衡进行分析计算。何树营[5]等从系统总功率损失出发，进行样机系统散热需求计算及补油泵排量设计。徐莉萍[6]等以收割机液压闭式系统为对象，对系统进行建模分析，为系统温升校核和元件选型提供参考。但是关于除冰车闭式液压系统油温热分析的研究少之又少。

即热式飞机除冰车作为一种新型的飞机除冰车设备，即使在严寒环境下也能够在短时间内对飞机除冰液进行加热，用以快速清扫机身冰雪，在除冰后快速喷射防冰液，以保证飞机可以稳定起飞。随着环境变化越来越严峻，各大机场都迫切需要除冰车，而即热型除冰车较为实用可靠，运行成本较为适中，故得到了广大机场的青睐[7]。

1、除冰车闭式液压系统概述

图1即热式除冰车实况图

本款除冰车为即热型除冰车，如图1所示，加热器短时间内就可以将除冰液加热到除冰工作温度。图2所示为某款飞机除冰车闭式液压系统工作原理图。闭式系统工作原理如下:该系统采用商用底盘车发动机作为动力来源，发动机经取力联轴器至液压泵，液压泵驱动四个液压马达进行工作，四个液压马达分别为:除冰马达、防冰马达、燃油马达、鼓风马达。除冰马达驱动除冰水泵，除冰水泵带动除冰液在加热器内部进行内循环加热;防冰马达带动防冰泵，防冰泵带动防冰液在管道中形成压力流体，除冰工作完成后马上进行防冰工作;燃油马达驱动燃油泵给加热器供给柴油;鼓风马达驱动鼓风机给加热器提供足够的空气使其充分燃烧。其中还包含动力元件有:液压主泵、补油泵;液压执行元件有:液压马达;液压控制阀有:电液比例阀;液压辅助元件有:过滤器、散热器、油箱等;除冰车分为以下3个工作工况:内循环、开除冰枪、开防冰枪;除冰车基础工况为内循环工况，即开机时先要将除冰液加热到工作温度，而开除冰枪、开防冰枪这个两个工况都是建立在内循环工况的基础之上。本论文只研究分析除冰车内循环工况，即燃油马达驱动燃油泵正常供油工作、鼓风马达驱动鼓风马达正常供风工作、除冰水泵带动除冰液内循环加热、防冰水泵带动防冰液在管道中形成压力流体，达到开枪随时可用状态。

图2闭式液压系统工作原理图

2、热稳定分析

液压系统因内部功率损失在产热时，热量会随着压力油的流动传递到各元件，各元件在吸收热量的同时也在对外热辐射散热，假设外界温度不变的情况下，系统各元件的温度达到某一不变数值，或者在一定范围内波动，此时液压系统的散热能力与产热能力相对稳定，这时我们就认为达到了热稳定状态。液压系统的总热量是各元件发热累加造成的现象，这些发热元件包括泵、阀、管路总成;系统散热也是通过各散热元件协同工作实现的，这些散热元件主要包括散热器、泵、阀、管路总成和油箱。

2.1 系统产热

液压系统的产热主要来源于以下几个方面:1)液压泵泄露所造成的热量M1;2)压力油通过阀时产生的热量M2;3)管路沿程压力损失所产生的热量M3;4)液压马达泄露所造成的热量M4。

a)查产品样本推荐的选型公式，液压泵产热量M1(kW)

式中:Δp1为液压泵进出口压差(MPa),Q1为液压泵流量(L/min),na为发热效率，nav为液压泵容积效率，nam为液压泵机械效率。

b)压力油通过阀时的产热量M2(kW)

式中:Δp2为阀进出口压差(MPa),Q2为阀输出流量(L/min)。

c)管路沿程压力损失产生的热量M3(kW)

压力油通过管道等产生阻力的元件会有压力损失，则此压力损失所产生的热量为:

式中:Q为管道流量(m3/s)，ξ为局部损失系数，v为压力油速度(m/s),l为阻力管道的长度(m)，λ为沿程阻力系数，d为管路直径(m)，ρ为密度(kg/m3)。

d)液压马达与液压泵产热原因类似，故液压马达泄露所造成的热量M4(kW)

式中:Δp为液压马达进出口压差(MPa),Q2为液压马达流量(L/min),nb为发热效率，nbv为液压马达容积效率，nbm为液压马达机械效率。

2.2 系统散热

液压系统所产生的热量通过系统的各个元器件散发到空气中去，在考虑散热元器件的时候要具体分析一下:液压胶管是橡胶材质，是不良导热体，由于散热能力小，故在计算中忽略;我们主要考虑各金属表面散热(包括油箱)和冷却器的散热。

各金属表面的散热量E:

式中:K为散热系数，A为各散热总面积(m2)，Δθ1为压力油与大气温度的相对温度差。

2.3 闭式系统热平衡分析

在闭式系统中由于有补油泵的存在会对系统起到一定的冷却作用，具体工作如下:补油泵给系统补充的是从油箱抽出的低温油，补充到闭式系统的低压侧，实现油液的循环冷却。当系统处于热稳定状态时，这说明同等时间内补油泵散热等于系统总产热与金属表面以及散热器散热量的差值。由此可得出补油泵散热功率F:

但实际上的补油泵散热功率为:

式中:L为补油泵的流量，c为液压油比热容，ρ为密度(kg/m3)，θ2为系统内工作油与油箱内低温油的温度差值。

当实际的散热功率F2与系统热稳定所需要的散热功率F1相等时，液压系统处于热稳定状态。

3、仿真模型的建立

除冰车采用闭式液压系统，发热较为严重，建立液压仿真模型，确定系统主要影响参数，方便后期分析优化系统。在AMEsim中对除冰车闭式系统产热情况建立模型如图3所示，其主要部分包括主泵、补油泵及安全阀、冲洗阀、油箱散热及散热器散热、工作马达。在AMESim中有热液压库，在建立热分析模型的时候应该直接从热液压库中选取，动力原件电机从机械库中选取，热元件从热库中选取，信号原件从信号控制库中选取。在库里选取相应的元件之前应先将库属性选出，若模型缺少相应的库属性，仿真时会报错或不能仿真[8,9,10]。在本实例中可以从图3中明显看出建模元件从属不同元件库，这也是软件的一个功能便于大家直观建模。本实例仿真模型的主要参数如表1所列。

图3闭式系统产热仿真模型

1-主泵;2-补油泵及安全阀等;3-冲洗阀;4-工作阀块与马达;5-马达泄油口;6-油箱散热及散热器散热。

表1计算与仿真主要参数列表

4、仿真结果分析

图4压力表、温度计

对除冰车液压系统进行仿真分析，设置仿真时间为1200s，仿真步长为1s。首先将在结合实验数据的基础上验证模型的有效性，如图4所示为现场实验所用的压力表、转速表、红外线温度仪等，如图5所示为阀块上加压力传感器便于实时监测压力，如图6所示为现场电脑数据采集记录。

图5传感器

图6数据采集

表2所示为系统原件温度的仿真值与实验值之对比。从表2可以看出:测量值和计算值的温度趋势基本一致，只有小部分测点(如燃油马达、防冰马达)误差较大，这是由于与燃油马达相匹配的鼓风机马达会跳阶段给加热器提供充足的空气支持加热器进行燃烧工作，该过程涉及燃烧是否充分等反馈调节，工作过程较为复杂，简化后的模型和真实情况下液压系统存在微小误差所导致的;防冰马达由于一直处于带动防冰液在管道内形成压力流体，一直未卸荷(开枪模式)，故出现温度偏高也属于正常现象。

且实验过程是在整车已经装配好后进行(覆盖件已总装完毕，空气流通性差)，各元件摆放位置不同，导致各元件散热条件不一样，故容易出现实测温度比仿真温度略高。表3所示为主泵压力的仿真值与实验值之对比。从表3可以看出:主泵进出油压力存在一定的误差，但此误差的出现是因为计算误差时采用的是表压，表压读数本身就存在一定的误差，故基本认为对比数据可靠。图7所示为在现场主泵测压口接入压力传感器所测得的压力波动数据，从图7可见:主泵出油压力基本稳定在14.6～14.8MPa之间，此波动与现场液压原件位置、管路等有一定的相关性，但基本可以认为误差在合理范围内。仿真值与实际测量值的整体误差值较小，部分高度吻合。综上分析，基于AMEsim的仿真分析结果具有一定的参考价值。

图7现场实测的主泵出油压力

表2系统原件温度的仿真值与实验值之对比

表3主泵压力的仿真值与实验值之对比

图8主泵温度、压力参数

图8所示为1200s仿真时间后，主泵出油压力、主泵进油压力、主泵进油温度、主泵出油温度的变化曲线。从图8可以看出:在1200s内，主泵出油压力基本稳定，主泵进油压力仍有下降趋势，温度呈上升趋势，并未达到稳定温度，故需要加长仿真时间，直至出现相对稳定温度。

修改仿真参数，设置仿真时间为30000s，仿真步长为20s。图9所示为在30000s下，主泵及油箱中油液温度、主泵进出油压力变化曲线。从图9可以看出:在热稳定状态下主泵出口温度为182℃左右，油箱温度为158℃左右，主泵出油压力稳定在15MPa左右，主泵进油压力稳定在1.71MPa左右。系统温度太高，这明显是不符合产品工作要求的，故在外界环境温度为20℃的条件下不能长时间使用。根据仿真数据可知，此闭式系统在外部环境温度为20℃下工作时间不能超过20min，继续作业会对系统造成不可估量的损坏。

图9元件热稳定温度

图10不同冷却功率下主泵稳定温度

图10所示为不同冷却功率下主泵稳定温度的变化曲面，图11所示为不同冷却功率下油箱稳定温度的变化曲面。从图10、图11可以看出:随着散热器当量冷却功率的增加，系统温度逐渐降低。由于单位时间内系统散热与产热达到平衡，此时增大散热器冷却功率相当于加大散热能力，油液温度得以降低。因此，加大冷却功率，系统稳定温度会得到显著降低。

图11不同冷却功率下油箱稳定温度

5、结语

1)计算了液压系统中各元件的产热量及散热量，基于AMEsim建立仿真模型，结合实验数据验证仿真模型的有效性。根据仿真模型，预测了系统热稳定温度、压力等参数，明确了加大散热器功率对液压系统热稳定温度的影响。

2)由于除冰车在冬季作业，北方环境温度很低，故温升会得到大大改善，此次实验主要是获取温升数据，验证仿真模型的正确性，方便后期系统升级优化。

从仿真结果来看，此系统只能用于冬季环境温度低的情况下作业，如想要在其他环境温度下另做它用还需要对系统进行合理的优化，此次仿真模型的建立为后期的合理优化提供了可靠仿真模型。

3)由于除冰车液压系统资料较少，此次仿真建模也是一种技术储备与积累，为后期的工作提供了参考依据。

参考文献：

[1]李宏伟.影响40T支架搬运车液压系统油温的因素[J].煤矿机械,2011,32(4):101-103.

[2]冯斌,龚国芳,杨华勇.大流量液压系统的油温控制[J].浙江大学学报(工学版),2011,45(4):741-746.

[3]刘文平,王林涛,姜兆亮.闭式液压系统油温分析及补油量确定[J].中南大学学报(自然科学版),2013(9):3658-3664.

[4]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.

[5]何树营,曹春花,郭强,等.从系统热平衡及压力匹配计算闭式液压系统补油参数[J].机床与液压,2018,46(22):41-44.