左 夺 黄 东

（三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110027）

0 引言

掘锚机施工环境恶劣、通风差，此外，由于受空间限制，掘锚机油箱体积设计紧凑，因此液压系统自然散热能力有限。正常工况下，掘进设备在完成掘进1 m～3 m后，需要停机支护，在此期间，液压系统会自然散发部分热量，以降低液压油温，保持油温在正常范围内。掘锚机在停止掘进作业后，液压系统仍需要持续工作，为锚护系统提供动力。掘锚机1个班次内连续工作，往往会导致液压油出现高温。掘进设备液压油最适工作温度区间为35 ℃～65 ℃，通常允许的油温上限为 70℃。高温工作会导致油液黏度降低，进而影响掘进设备的作业能力。因此将掘进设备控制在最适温度区间内，并维持系统热平衡，可以提高液压系统的元件寿命以及整机工作效率。

1 掘锚机液压系统能量传递路径

液压系统作为掘锚机的动力源，为掘锚机各执行机构的动作提供液压动力。当进行掘进作业时，液压系统由电动机驱动变量泵，将电能转化为液压能，实现能量的一次转换。液压系统输出的高压油进入多路阀，先导阀会分别控制其以不同的压力和流量进入各执行机构，驱动液压马达和液压油缸等元件完成回转动作和直线动作。在此期间，液压系统将液压能进行二次转化，可以实现主机行走、星轮装载收料、运输机转运输送、截割部升降回转、锚护进行钻孔作业等动作。然后完成能量传递的液压油返回，经过冷却器降温、过滤器过滤后，最终返回液压油箱准备进入下一个循环。掘锚机液压系统循环路径示意图如图1所示。

图1 掘锚机液压系统循环路径示意图

能量在传递的过程中必然存在一定的功率损耗，包括液压系统泵和马达的容积效率损失、多路阀的溢流损失、液压管路的沿程损失等。液压系统在能量传递过程中的功率损失以热能的方式进入系统，其中仅有一小部分热量散失到周围环境中，其他大部分热能会以高温液压油的方式存在于液压系统中。掘锚机液压系统能量传递如图2所示。

图2 掘锚机液压系统能量传递示意图

2 液压油产生高温的原因

由于能量传递效率的存在，液压系统不可避免地会产生功率损失。因此如果出现设计缺陷或者现场操作不当的情况，就会导致功率损失加剧，液压油温急剧上升。

2.1 液压油品牌号选择不合适

在选用液压油品时，应根据液压系统性能和使用环境特点，匹配相应种类和牌号的油品。油品黏度等级和种类不满足使用工况或者将不同牌号、不同厂商油品混用时，都会导致油液运动黏度不匹配。 如果运动黏度过高，液压系统运动阻力会随之增加，功率损失也会加剧；如果运动黏度过低，液压系统的内泄会增大，这2种情况都会导致液压系统油温升高。

2.2 油液污染

掘进设备施工环境恶劣，环境中充斥着粉尘和水，因此长时间工作易使液压系统易混入杂质，油液受到污染后，在高压作用下进入液压元件，会破坏配合面精度和粗糙度，使其间隙加大，泄漏剧增，导致油温升高。此外，大量的杂质和污物附着在过滤器滤芯上，也会增加系统阻力和功率损耗。

2.3 空气混入液压系统

当有部分空气混入液压油后，其通常会在低压区从油液中分离，产生气泡。这些混有回油空气的油液在进入高压区时，环境中的高压会使油液中的气泡迅速爆破，在局部释放大量热量，导致系统油温升高。

2.4 液压系统设计缺陷

当系统中选用的车液压元件不能满足系统压力和流量需求时，在使用中会导致阀口油液高速通过，产生较大的压力损失；液压系统回路中设计有冗余的元件和管路，同样会降低系统效率；液压管路敷设不合理，会增大系统压力损失；液压系统油箱结构不合理、散热面积不足、体积小等都会导致油温升高。

2.5 冷却系统污染

采掘设备通常配备水冷式冷却器，该冷却器布置在油箱或者回路中，可对油液进行强制冷却。但由于施工现场环境恶劣，且水质较差，因此冷却器工作一段时间后，其散热片和管路会附着杂质，影响散热和循环，其热交换能力随即降低，最终导致液压系统温度升高。

3 液压系统高温的危害

当液压系统油温过高时，会产生以下危害：液压油液黏度降低，液压系统泄漏量增大；液压元件中存在相对运动的摩擦副之间的润滑油膜变薄或者被破坏，导致元件运动阻力增大、磨损加剧，进而影响元件使用寿命；橡胶密封件在高温下会变形、变质，导致密封老化、失效，从而造成系统泄漏；加速油液氧化，缩短油液使用寿命；高温油液内部的沥青物质还会被析出，堵塞多路阀孔道和阀口，导致流量压力不稳，控制失效。

4 液压系统热平衡分析

4.1 掘锚机液压系统发热量计算

液压系统发热量的计算通常采用以下两种方法，一种是通过液压元件效率，直接计算其功率损耗，该方法可以直接估算出液压元件产生的热能，并可有针对性地采取改善措施，减少发热量；另一种方法是针对整个液压系统，计算其输入总功率和执行元件最终的有效输出功率的差值，估算液压系统产生的热能。

4.2 按液压元件效率估算系统发热功率

液压泵和液压马达的泄漏会产生一部分热量，其发热功率H的计算如公式（1）所示。

式中：P—液压油输出总功率，P=pq/η；η—液压油泵总效率，柱塞泵一般取值在 0.8～0.9，通常可取0.85；p—液压油泵实际输出压力值；q—液压油泵实际流量。

多路阀的功率损失导致系统发热的发热功率H可按公式（2）计算。

式中：p—阀体压降，多路阀一般取1.4 MPa；q—通过该阀的实际流量。

管道及其他因素导致的功率H为H=（0.03～0.05）P。

由于液压系统管道暴露在外界环境中，自身可进行自然散热，造成的功率损失较小，因此该功率损失在进行估算和计算时可按总功率的3%～5% 取值计算。

液压系统发热功率总和H如公式（3）所示。

4.3 按液压系统输入总功率和系统输出总功率差值核算发热量

对液压系统总体来说，其获取的液压能由电能转化而来，最终输出能量为执行机构的机械能，则输入能量和最终输出能量的差值即可视为进入系统的热能。液压系统发热总功率H可按公式（4）估算。

式中：P—液压油输出总功率；P—液压系统油泵输入总功率，P=M·n /9549，M—泵站电机提供的输入扭矩，n—泵站电机输转速；P—执行元件的输出功率；对于液压缸，P=F·V/1000，F—液压缸外负载，V—液压缸运动速度。

掘锚机液压系统通常布置双联泵柱塞泵或三联泵柱塞泵为系统供油，因此在计算热功率时需要把多台液压泵功率叠加计算。

4.4 冷却系统散热功率核算

掘锚机在工作状态下，液压系统功率损耗产生的热量，只有很少一部分以热辐射的方式直接散入周围环境，大部分热量则进入液压油，随系统循环进入油箱和系统通油部位。随着液压系统的持续工作，大量的回油热能持续进入液压系统，此时，只有系统的散热功率和发热功率达到平衡，即令液压系统的温度稳定在某一温度值，不再攀升，才能达到系统热平衡。液压系统中，热量积累最多的部件为液压油箱，即液压油的容器，参与循环工作的油液最终都会返回液压油箱，并带回大量热量。液压油箱自身也具备一定的散热能力。该文对JMH260掘锚机的散热情况进行了估算。JMH260掘锚机的油箱结构简图如图3所示。

图3 掘锚机油箱结构简图

液压油箱散热能力与有效散热面积有关，油箱散热量H可按公式（5）估算。

式中：K—液压油箱表面散热系数，巷道通风条件差，取K=10 W/（m·k）；t—液压油箱内平均油温，℃；t—巷道环境温度，℃；A—油箱散热面积，其中A=A+A/2，A—油箱内部直接接触油液的部分面积；A—油箱内部不接触油液的部分面积。

由于不直接接触油液的部分面积散热能力减弱，在此，取非接触面积的50%油箱总散热面积的核算。

4.5 冷却器选型计算

掘锚机由于受施工条件限制，因此其结构紧凑，油箱体积有限。为保证其液压系统能正常工作，需要外接冷却器，将液压系统温度控制在最适工作范围内。掘锚机在长时间工作时除液压油箱会散失一部分热量，其余热量均被冷却器带走，以维持系统热平衡。因为矿井施工面供水充足，所以多采用水冷却器进行强制冷却。影响水冷却器冷却效果的主要因素是冷却器的换热面积，下面对换热面积进行计算，如公式（6）所示。

式中：S—液压系统总发热量，W；S—液压系统自然散失热量（管路系统和液压油箱），W；A—水冷却器有效换热面积，m；K—冷却器散热系数，矿山机械多用大功率板式冷却器，散热系数取值范围为450 W/（m·k）～600 W/（m·k）。T—换热前后平均温差，℃，可按公式（7）计算。

式中：T—液压油进口温度，℃；T—液压油出口温度，℃；t—冷却水进口温度，℃；t—冷却水出口温度，℃。

计算散热面积时，需要考虑水中杂质和污染物会附着在冷却器内部，影响热传递，在选型时需要在散热面积计算值的基础上增大1.3倍左右。当冷却器达到热平衡时，冷却器散失的热量约等于液压系统功率损耗产生的热量，冷却器内部的水冷却吸收热量和液压油散失热量达到平衡。

式中：C—液压油比热容，J/kg·℃，一般取值2000 J/kg·℃；C—冷却水比热容，J/kg·℃，一般取值4000 J/kg·℃；ρ—冷却水密度，kg/m，一般取值1000kg/m；ρ—液压油密度，kg/m，一般取值900kg/m；Q—冷却水流量，m/s；Q—进入冷却器液压油流量，m/s。

根据以上条件，可以估算水冷却器需要的输入水量。

5 冷却系统模拟仿真

该文使用simulationX热力学模块对正常工作状态下的掘锚机液压油温进行分析，设定极限工作条件为掘锚机行走部、星轮转载机构和第一运输机转运机构同时运行，以上动作都是由液压马达驱动，同时运行状态下的液压系统发热量达到上限。取掘锚机工作环境温度为15℃，油箱油液质量m=1 000 kg，液压油比热为2 000 J/kg·℃，掘锚机设置了4组水冷却器，散热面积可达 21 m，散热功率约60 kW，导热系数140 W/（m·℃），按以上条件计算出的液压系统热量与时间曲线如图4所示，热量变化率与时间曲线如图5所示。

根据图4 可知，系统运行前期，液压系统发热量随时间增加而累积增加，呈线性关系增长。在后期，热量值接近恒定，此时，系统到达热平衡状态。

根据图5可知，液压系统热量变化率随时间增长呈递减趋势，并在后期接近0，不再变化，此时液压系统到达热平衡状态。

在液压系统运行条件不变的情况下，重新设定冷却器参数，给导热系数140 W/（m·℃）设定3种散热面积，即16m、21m、24m，并绘制3种条件下的温度时间曲线，如图6所示。

根据图6可知，在液压系统冷却器导热系数相同的条件下，冷却器有效散热面积越大，系统达到热平衡时所处的温度越低。

在液压系统运行条件不变的情况下，重新设定冷却器参数，散热面积为21 m，分别设定导热系数为120 W/（m·℃）、140 W/（m·℃）、160 W/（m·℃），并绘制3种条件下的温度时间曲线，如图7所示。

根据图7可知，在液压系统冷却器散热面积相同的条件下，冷却器导热系数越大，系统达到热平衡时所处的温度越低。

图4 液压系统热量与时间曲线

图5 热量变化率与时间曲线

6 结语

为了有效控制掘锚机液压系统油温，需要根据系统的实际工况选择合适的冷却器选用冷却面积大和导热系数高的冷却器可以有效降低系统热平衡状态的温度值，缩短达到热平衡状态的时间；依据巷道开挖条件设定冷却水量；优化掘锚机油箱结构、加大油箱散热面积，可以改善液压系统的散热条件。

该文在JMH260掘锚机的设计中，将油箱设计为异形油箱，增大了容积和散热面积。通过系统计算选用4组板式冷却器，导热系数为140 W/（m·℃），叠加散热面积22 m。经现场测试，在开机运行60 min后，温度接近恒定，平衡温度约为60 ℃，处在液压油最适工作温度区间，可以满足实际使用需求。

图6 温度时间曲线

图7 温度时间曲线