工程机械液压系统散热问题

兰州理工大学能动学院
工程机械液压系统的散热问题
主要内容
一、背景来源及重要性 二、工程机械液压系统产生热量的来源 三、工程机械散热源 四、热平衡 五、工程机械用柴油机冷却系统匹配技术 六、治理散热的技术措施
一、背景来源及其重要性
• 现代工程机械普遍采用液压传动，由于液压传动 本身的特点和工程机械相对恶劣的工作环境及工 况，系统产生的热量单靠油箱、元件及管件的表 面发散是不够的，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中成为不可或缺的 环节。
• (2) 将散热器改为分置式 传统的散热器组(模块)由水散热器、液压油散热器、变矩 器油散热器、机油散热器等依次串联成一组，安装在风扇 前端。这种安装型式有如下缺点：多个散热器共用1台风 扇冷却，不能按各自的目标冷却温度进行针对性冷却；多 个散热器串联在一起，使冷却空气通过各个散热器的流动 阻力增大，并有热量累积效应，缩小了冷空气与散热器中 冷却液的温差，降低了散热效果。 ZL50型装载机的传统散热系统采用双输出轴液压马达分别 驱动水散热器风扇和水泵，安装在发动机前端，对水散热 器进行冷却，组成1个模块；液压油散热器由电风扇冷却 ，与水散热器分离，安装在发动机另一侧组成另一模块。 其液压驱动风扇和电动风扇，均采用ECV智能控制，可按 各自所需调速散热。
• (3) 改进散热器材质和排列方式 近年来，国内外开发的散热器新材料有铝泡沫材 料、石墨泡沫材料和铝合金等几种，其中美国开 发的石墨泡沫材料中的石墨为球形网状结构，接 触面很大，具有极高的热扩散率，散热系数比传 统铜质散热器高。铝合金散热器质量轻，抗腐蚀 性好，散热效果为铜质散热器的106%。铝质冷却 水散热器、中冷散热器和机油散热器具有体积小 、质量轻、结构紧凑等优点，可将其从传统的串 联式布置改为单层并列式布置，使多个散热器可 以同时接触到风扇的冷却风，避免各散热器热交 换的相互影响，有效提高散热效果。合肥某公司 生产的叉车，采用铝质板翅式散热器代替传统铜 质散热器，体积减小了50%。
三、工程机械散热源
• 工程机械散热源的功能是通过冷却装置驱动冷却 介质，吸收和散发工程机械发热源产生的废热。 散热源包括冷却介质和冷却装置。 （1）冷却介质有冷却水、液压油、变矩器油、机油 和空气； （2）冷却装置有风扇、水泵、风扇液压马达(或风 扇电动机)、液压泵、冷却水散热器、液压油散热 器、变矩器油散热器、机油散热器、涡轮增压中 冷器、空调冷凝器和油箱等。
1.水泵 2.水泵进水管 3.风扇 4.内置板翅式变矩器油 散 5.水箱 6.空调冷凝器 7.补偿水管 8.水箱压力盖 9.柴油机出水管 10.透气管 11.调温器
工程机械柴油机冷却系统示意图
• 冷却系统的评价指标 根据冷却系统对柴油机的影响，建立工程机械柴 油机冷却系统的综合评价指标，表示为Y=Y(TC ， η，T ，N)。 （a）冷却能力TC 冷却系统的冷却能力常用冷却系统允许使用的极 限的环境温度TC表示 T c=T max-（Tb-Te） 式中 T max—发动机允许的冷却液的最高温度 Tb—系统热平衡时柴油机冷却液出口温度 Te—测量时的环境温度
当今工程机械冷却系统正朝着轻量化、紧 凑化、节能化、智能化的方向发展，例如 徐工XE机型独立散热系统的开发，提高了 散热系统的效率，解决了发动机直接驱动 系统散热匹配范围窄的问题。
徐工XE机
节能轻量化机械
D速季风装载机旗舰动力
源自文库
六、治理散热的技术措施
• (1) 将风扇改为独立式 传统机型的风扇多为非独立的机械连接式，即风扇由柴油 机曲轴通过胶带轮和胶带驱动，风扇转速与曲轴转速同步 。该方式在低速大负荷工况时，风扇冷却风量不足，易导 致大负荷时工程机械过热；该方式在高速小负荷工况时， 风扇高速运转，冷却风量过大，易导致小负荷时工程机械 过冷。 近年来很多公司新开发的机型均采用独立式可按需调速的 液压、电子风扇，国内一些维修企业也参照上述机型，将 原机的非独立风扇改装为按需调速的独立式风扇。驱动风 扇的动力源可按机型的具体情况而定，液压主回路、支回 路可分别设置，也可独立安装液压泵。
• (6) 其他措施 提高工程机械散热的其他技术措施还包括：改进 柴油机的燃烧工况，提高热效率；改善液压动力 元件和执行元件结构和质量；回收制动、减速的 惯性能量以及作业装置下降的重力势能，提高液 压能利用效率；优化风扇参数(叶片角度、风道等 )提高冷却能力，采用双水流散热器提高散热效率 ；优化液压管路布置和阀类元件动作工况，减小 压力损失；提高操作水平，防止超载作业；加强 地下室内和深基础作业场所的通风，并避免在太 阳辐射最强的时段作业。
（c）可靠性指标T 可靠性指标T表示冷却系统能正常可靠工作 的平均无故障间断时间。 （d）噪声指标N 噪声指标N表示由冷却系统引起的噪声。降 低系统噪声的技术很多，如采用倾斜整流 叶片、不等叶片栅距、降低叶片的圆周速 度、采用阻尼减震的叶片材料、隔震、机 罩和风道采用吸声材料等。
工程机械系统冷却系统的发展方向
铁路和隧道盾构机械
建筑行走机械
一、背景来源及其重要性
• 在过高温度下工作可能使油液变质产生油 渣和涂层剥落，这可能是节流口堵塞。当 温度升高时，油液的粘性及润滑性都要降 低，这将使元件的工作寿命大为缩短，比 如泵就是这样。 • 其次密封件、填料、软管、油滤等都有一 定的工作范围。 • 因此将液压系统设计在满意的工作温度下 能达到热平衡状态是很重要的。
五、工程机械用柴油机冷却系统匹配技术
• 在工程机械主要发热源中，柴油燃烧的废热量约 占工程机械废热量的74%，因此基于“提高系统 散热能力、减少消耗功率”的冷却系统的设计是很 有必要的。 • 冷却系统的一般构成 典型的工程机械用柴油机冷却系统是由水泵、水 泵进油管、风扇、变矩器油散、水箱、空调冷凝 器、补偿水管、水箱压力盖、柴油机出水管、透 气管、调温器等主要零部件组成，如下图所示。
工程机械类散热器
水冷却器
泵车搅拌车专用
工程机械水箱散热器
四、热平衡
• 工程机械是集发热源和散热源为一体的机 械，其热平衡超过或未达到热平衡温度范 围(即过热或过冷)，都会对工程机械运行的 可靠性、环保性和效率等产生不利影响。 理论和实践表明，当工程机械的发热和散 热达到最佳平衡时，可使工程机械处于高 效、节能和环保的运行状态。工程机械的 最佳热平衡参数如下：柴油机水温75～ 95℃，液压油温55～75℃，变矩器油温85 ～90℃，机油油温55～75℃。
二、热量来源
• 工程机械发热源主要有几种： （1）柴油机燃烧系产生的热源； （2）液压传动和其他传动系的运动副在运行 中产生摩擦热； （3）液压油在液压系统内流动产生的压力能 转化为热量，散发到液压油和机件中。
二、热量来源
• 此外，在有太阳辐射的场合作业，还要承 受太阳的辐射热，其作业环境温度可达37 ～60℃。 • 在工程机械主要发热源中，柴油燃烧的废 热量约占工程机械废热量的74%，液压传动 及其他传动系统运动的摩擦热约占24%，太 阳辐射热约占2%。
对于工程机械冷却系统的冷却能力，在正常的气 温地区，通常TC的标准是 41~46℃，而对于高温地区 或海拔高一些的地区， TC的标准是45~55 ℃. （b）冷却系统的效率η η=Q总 / W总 x100% 式中 Q总 —冷却系统带走的散热量 W总 —冷却系统附件消耗的总功率 其中，冷却系统带走的散热量Q总 应该等于柴油机需冷 却系统带走的散热量Q1(n)，再加上工程机械其它液压 系统需要散走的热量Q r，比如空调冷凝器散热量，变 矩器液压油散热量等。
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(4) 采用可逆转风扇 沃尔沃公司新开发的EC210C挖掘机安装了 液压驱动的可逆转风扇，在驾驶室内即可 操纵风扇正、反转(吹风或吸风)。通常工况 下，风扇正转(吸风)；当散热器上黏有灰尘 等颗粒物时，则可控制风扇反转(吹风)，将 尘土等颗粒物吹掉。
• (5) 改善冷却介质的散热效率 若使用硬水作冷却介质，会使水散热器结 垢，降低散热效果，因此应使用合格的软 水作冷却水。若在软水中加入1%体积浓度 的CuO纳米微粒。则可提高40%导热率。俄 罗斯开发的APBK润滑油，可改善润滑油( 机油)的摩擦性能，对磨损部位进行动态修 复，降低运动副产生的摩擦热，延长运动 副的使用寿命。