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T j，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；

⑴：该设备参数收集：

⑵：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＝p×q

600×ηmh ×(1−ηtotal)=500×7.7

600×0.8

×(1−0.7)=2.41 kw

J1=P1XT1=2.41x600=1446 KJ

水平垫块滑移过程发热功率和发热量：

p2=p×q

600×ηmh ×(1−ηtotal)=200×10.5

600×0.8

×(1−0.7)=1.31 kw

J2=P2XT2=1.31x120=157.2 KJ

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=Vc

T3=52.8

5

=10.6 l/min;

P3=p×q

600＋p×q

600

=500×10.6

600

+ 200×10.5

600

= 12.33KW

J3= P3XT3=12.33x300= 3699 KJ

以上三个工序总共发热量J total:

J total=J1+J2+J3=1446+157.2+3699=5302.2 KJ

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=6589 KJ 油箱的最大散热功率：