中小型挖掘机液压油箱的热平衡研究
- 格式：pdf
- 大小：1.38 MB
- 文档页数：5
第２６卷第１期 ２０１７年２月 淮 阴工学 院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．２６ Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２０ｌ７
中小型挖掘机液压油箱的热平衡研究 李艳军 ，邓启超 （１．芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司，安徽芜湖２４１００７； ２．安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖２４１００７）
摘要：以日立２０ｔ挖掘机液压油箱为研究对象，在分析其散热原理的基础上，根据热平衡原理，对液压油在油箱中的流动 和传热特性进行分析，并依托ＣＦＤ—ＡＣＥ＋系列流体仿真软件，对其散热能力进行分析仿真，为挖掘机液压油箱的结构优 化，以及挖掘机液压系统的热平衡分析和整体的节能优化提供了参考。 关键词：液压系统；液压油箱；热平衡；ＣＦＤ—ＡＣＥ＋；产热；散热 中图分类号：ＴＨ１３７．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—７９６１（２０１７）Ｏ１—０００５—０５
Ｔｈｅ Ｈｅａｔ—ｂａｌａｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ＨｙｄｒａｕｌｉｃＯｉｌ Ｔａｎｋ ｏｆ Ｅｘｃａｖａｔｏｒ ＬＩ Ｙａｎ—ｊｕｎ ，ＤＥＮＧ Ｑｉ—ｃｈａｏ （１．Ｗｕｈｕ ＡＮＰＵ Ｒｏｂｏｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．ＬＴＤ，Ｗｕｈｕ Ａｎｈｕｉ ２４ １ ００７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｈｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ａｎｈｕｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈｕ Ａｎｈｕｉ２４１００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅｓ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ２０ｔ Ｈｉｔａｃｈｉ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｉｌ ｔａｎｋ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄ ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ—ｓｉｎｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｉｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ—ｓｉｎｋｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅｏｒｙ．Ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ＣＦＤ—ＡＣＥ＋ｆｌｕｉｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏ，ｗａｒｅ，ｔｈｉｓ ａｒ— ｔｉｃｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｉｎ ｔｈｅ ｔａｎｋ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｅｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔａｎｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ—ｂａｌａｎｃｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖ— ｉｎｇ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｏｉｌ ｔａｎｋ；ｈｅａｔ—ｂａｌａｎｃｅ；ＣＦＤ—ＡＣＥ＋；ｈｅａｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｈｅａｔ ｓｉｎｋ－ ｉｎｇ
０ 引言 液压油箱是液压系统中必不可少的辅助元 件。在液压系统中，液压油箱除了储存系统循环 所需液压油液以外，还有实现油液的冷却、散热、 释放气体、除污、沉淀杂质等作用。中小型挖掘机 的液压油箱，在设计时除了要考虑结构及功能外， 还要考虑液压油箱的散热能力¨ 。挖掘机液压系 统的功率损失绝大多数转换为热能，导致油液和 整个液压系统温度升高 。而液压油温的升高会 降低液压油的粘度，对挖掘机液压系统的效率和 整机的使用寿命造成巨大危害 』。而挖掘机液压 系统的散热主要通过液压油箱的自散热与散热器 组件的散热来完成 ｊ。液压油箱作为液压系统中 循环油液的贮存地和热交换中转站，研究其热平 衡特性，提高系统的散热效率，使油温保持在合理 的范围内，对于提高挖掘机液压系统的效率具有 重要意义 。 １ 挖掘机液压油箱的结构 挖掘机的液压油箱为分离式液压油箱，分离 式液压油箱将油箱与机体分离开来，单独设立，油 箱的散热性能较好，液压装置运行中振动产生的 影响将会减弱。挖掘机油箱的散热采用自然冷 却，通过高温油液在箱体内的充分流动，与油箱内 的低温液压油以及外部空气之间进行热传递，使 得回油的高温液体得以冷却。油箱内部设置有 ２～３块隔板，油液在隔板的导流作用下，在油箱中
收稿日期：２０１６—１０—１９ 作者简介：李艳军（１９９０一），男，河南信阳人，工程师，硕士，主要从事机电系统控制研究。 ６ 淮 ｆ；』Ｊ Ｉ： 院 报 允分流动，增大＿ｒ液 ｆｌ｛１箱的散热效率，Ｉ 时还对 峨 着清洗的作Ｊ＋Ｊ。当Ｉ，｛然敞热 不到要求 时， Ｉ ｒ以 －：ｆｌｆｉ箱１人Ｊ部安装冷却器，通过循环流动 的冷却水， Ｉｌｉａ走周…的尚温液压汕的热 ｆＴ．，降低液
油的温度 选取Ｉｆ 场Ｉ 使ｊＨ比较多的Ｉｔ● ２０ｔ 挖掘机为试验样机，挖ｊ）＝｝｝ｊ机的液门ｉｊｆ１ｌ 及 内部 结构【殳ｌ｛Ｕ１『殳１ ｌ所示 ．
图ｌ 挖掘机液压油箱及其内部结构图 ２挖掘机液压油箱的热平衡分析 ３ 挖掘机液压油箱的热平衡仿真 液 ｆＩｔｔ箱的敞热效率与其散热砷ｆ积成正比， 其汕箱结构及 环境什火 液压｛ＩＩｌ箱敞热 址巾小型挖掘机液压系统『ｌ散热的主要途径，其 敞热功率町以表示为： ｐ汕＝ Ａ△Ｔ （Ｉ） 其ｒｆｌ： 为敞热系数，与材料以及外 环境仃火， Ｗ／ｉ｜１ ｃ（＝； 通风差的情况下， 选择８～９；通风好 的情况下， 选取ｌ４～２０；使Ｊｆｊ风扇外部冷却时，ｄ 收２０～２６；采ＪＨ冷却水循环冷却时，ｄ收１ ｌ０～ ｌ８０ △Ｔ为液 系统温度变化，℃；△Ｔ＝ ｒ１一Ｔ．， Ｔ！为挖ｊＪ｝｝｛机液压系统的热平衡温度，ｒｒ。为环境温 度，也即初始温度 ．Ａ为油箱的散热而积＇Ｉ１ 。 液Ｊ 系统通过油箱ｒ１散热而达到热平衡 时，系统的产热量与油箱的自散热量相等 这 时，ｆＨ１果只考虑液压油温上升过程中吸收的热能 与油箱的散热能相等时，液 系统的温度 随着 时间ｔ的变化关系为： Ｄ ～＾ Ｔ，＝Ｔ ＋—Ｉ＿（１一ｅ ） （２）
Ａ
其ｒｆ１：ｍ为油液的质量，ｋｇ；Ｃ为液 油的Ｉ七热，Ｊ／ （ｋｇ・０Ｃ） 【ｆ１式（２）可知，当ｔ逐渐变大时，液压系统的热 平衡温度逐渐收敛。『天Ｉ此，仪考虑油箱的自散热， 其收敛温度即为热平衡时系统的温度Ｔ
， ．
Ｐ
２ Ｉ十 （３）
３．１ ＣＦＤ—ＡＣＥ ４－软件 ｃ｝’Ｄ—ＡＣＥ＋系列软件足一种较先进的ＣＩ，、Ｄ 及多物理场软件，ＣＦＩ）一ＡＣＥ＋模块的求斛器使ＪＨ 最先进的数值 序干＂物理模型，对复杂的Ｔ 流 动领域提供强大的多物婵场求解，能够模拟仿真 流体、热、化学、力学、电 等脱象 、 ＣＦＤ—ＡＣＥ＋求解 包含流体力 、 、传热／辐 射、湍流、化学、电化学、等离子、结构动力 等ｌ８ 个模块， 巾最基本的分析卡｝ｌ块址流体力学 传 热／辐射 ＣＦＤ—Ａｃ ＋淌盖所仃的模 网格划分 技术，包括ＴＩ’ｉａｎｇｌｅ、 Ｊ ｐａｖｉｎｇ、Ｍｅｓｈ ｇｉｌ。（Ｊ等其 建模、计算及后处 相１ ：分开，紧密结合 ．与 他 的仿真类软件一样，也包括 大部分：前处理器、 汁算求解器、后处理器，如罔２所爪。
图２ ｃ¨）一Ａ（：ｌ・：＋软件主要构成 ３．２液压油箱的建模 根据所选取的口立２０ｔ挖掘机，测量其液压油 箱的相关尺寸参数和流动参数，建立的模型具体 参数如下： （１）模型尺寸。液压油箱的外形为长六面体， ｌ ｊｆＪＪ 李艳军，邓Ｊ 超．Ｉｆ１小 挖掘机液 油衍的热 衡研究 ７ Ｋ宽高之比介于ｌ：１：ｌ与１：２：３之 ，实测液， 油 箱容积大约为４００１ ，具体尺寸 表１
表ｌ 液压油箱尺寸 表２油箱材料的主要物理参数
Ｃｐ比Ｊ／热ｋｇ ℃ ／ Ｋ 热系数 （ｋ ｍ ） （ 一℃ｍ（－Ｉ１．）………一
７８５（） ５０２ １０ ０．５６
（３）液压油的选择 选常川的４６＃液 油为 （２）材料选择。液Ｊ１ 油牟ｆｉ的材料为Ｑ２３５，村Ｉ 工作介质，其主要物理特性 表３。
关的物理参数 表２。
表３ ４６＃液压油的主要物理参数
３．３ 液压油箱模型的运算仿真 ＣＦＩ）一ＧＥＯＭ ｒｆｌ进行 维建模，模型进出口 为 管，埘Ｊ、 油箱的同油口与Ｉ１发油Ｈ，进 【Ｊ内径 均为６０ｍｍ 油箱的箱顶设置…｛ｌ｝ｊ管，对应模型的 液进Ｌｌ， 侧 没置ｌ１及油管，对应模型的 Ｉ液出 ＬＩ 、进回油路之Ｍ没氍 块隔板，增加了ｆｌｆＩ液在 油箱巾的流动时问，提高散热效率 其他零件如 滤清器、放洲１塞、注油孔对于模型影响小大，忽略 不汁一存ＣＦＤ—ＧＥＯＭ ｔｆ１建立的 维模型如图３ 所ｌ，】ｊ、
图３ 液压油箱三维模型网格图 将上述模型的导入ＣＦＤ—ＡＣＥ巾，定义ＶＣ （ＶＯＩＵｈｉｅ ｃｃｍｄｉｔｉｏｎ）部分，定义换热模块为综合换 热，箱壁和隔板均定义为同体，其余部分为流体，
具体参数 表２与表３。定义ＢＣ（Ｂｏｔｉｌｌ｛ｌａｒｖ ｃ（洲ｌｉ— ｔ １）部分，汕箱 而定义为薄 ｗａｌｌ，初始表ｌｆ＿Ｉ『温 度为３０掇氏度，ｊ 余为Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，上面进ｕ处定义 为Ｉｎｌｅｔ，侧面Ｈ｛［１为Ｏｕｔｌｅｔ，进【Ｉ流量定义为０．５６ ｋｇ／ｓ，温度设定为８０摄氏度，ｆｆ【【ｆ 强为默认位， 初始环境泓度为２５摄氏度。计算时考虑油液流动 的重力加速度， ｆｆ｛口处没置一个检测点（Ｍｏｎｉｌｏｒ Ｐｏｉｎｔ），检测其温度变化。导入ＣＦＩ）一ＡＣＥ，Ｉ１的计 算模型如 ４所永 、
图４液压油箱计算模型 没定汁算１０００步，僻收敛Ｉ１ｆｌ线如『欠Ｉ ５所爪。 模型 测点没置在『ｌ发油管的管【ｌ处，也即为 液』 汕箱的¨５ ｉ１处。将汁算后的模型 入ＣＦＤ— ＶＩＥＷ巾，通过后处理得剑其温度变化ｆｌ｝ｆ线如ｆ矧６
