王思敏，連晉毅，高俊怡，蔡彥岑WANG Si-min, LIAN Jin-yi, GAO Jun-yi, CAI Yan-cen（太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

基于FLUENT的破碎錘液壓系統(tǒng)熱仿真分析

王思敏，連晉毅，高俊怡，蔡彥岑
WANG Si-min, LIAN Jin-yi, GAO Jun-yi, CAI Yan-cen
（太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

[摘 要]針對(duì)液壓破碎錘工作過(guò)程中發(fā)熱量過(guò)大的問(wèn)題，闡述了破碎錘液壓系統(tǒng)的發(fā)熱機(jī)理，在所構(gòu)建的熱計(jì)算模型基礎(chǔ)上，以某型挖掘機(jī)液壓破碎錘為實(shí)例，計(jì)算了各液壓元件的熱損失，運(yùn)用fluent軟件分析了液壓系統(tǒng)溢流閥在運(yùn)行工況內(nèi)的熱平衡情況，可為破碎錘液壓系統(tǒng)的分析和優(yōu)化提供一定的技術(shù)參考。

[關(guān)鍵詞]液壓破碎錘；溢流閥；熱平衡；仿真

破碎錘在工程車輛上的應(yīng)用很普遍，尤以液壓型最為突出。液壓破碎錘在工作過(guò)程中是以工作介質(zhì)、動(dòng)力源及能量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，其工作原理是把液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械沖擊能然后再對(duì)外輸出能量來(lái)完成工作。

液壓系統(tǒng)是破碎錘工作系統(tǒng)的重要組成部分，除了傳送工作介質(zhì)對(duì)外做功外，還可確保傳動(dòng)油以一定的速度在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，使各傳動(dòng)部件得到充分的潤(rùn)滑和冷卻。泵、閥以及管路等液壓元件構(gòu)成了液壓破碎錘的液壓系統(tǒng)。傳動(dòng)油在這些元件中循環(huán)流動(dòng)時(shí)，不可避免的會(huì)產(chǎn)生壓力損失和流量損失，這些功率損失最終轉(zhuǎn)化為熱能被傳動(dòng)油吸收。

1 破碎錘液壓系統(tǒng)的工作原理以及各液壓元件的熱損失計(jì)算

1.1 液壓系統(tǒng)工作原理

破碎錘的液壓系統(tǒng)是利用液壓泵將工程車輛車身發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗芡ㄟ^(guò)管路進(jìn)行傳送，之后經(jīng)液壓油缸將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)破碎錘的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

液壓破碎錘連接在反鏟工作裝置的鏟斗位置，液壓系統(tǒng)有單獨(dú)的油路給破碎錘供油。以GT90液壓破碎錘為例進(jìn)行研究，其液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，工作過(guò)程分為回程和沖程2個(gè)階段。

1.1.1 回程過(guò)程

接通電源啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，定量泵開(kāi)始工作，液壓油由油箱4通過(guò)泵3流到溢流閥7中，使系統(tǒng)建立起壓力。系統(tǒng)接通電流使得8通電，液壓油通過(guò)5和8，進(jìn)入到2，液壓系統(tǒng)的主回路與下腔接通，下腔通高壓油使上升開(kāi)始回程。液壓缸上腔通液壓油，低壓蓄能器9準(zhǔn)備就緒，開(kāi)始蓄能。當(dāng)系統(tǒng)壓力從零逐漸升高到蓄能器充油壓力時(shí)，高壓蓄能器10開(kāi)始充油；當(dāng)系統(tǒng)壓力大于開(kāi)啟壓力時(shí)， 運(yùn)動(dòng)使11啟動(dòng)，從而完成油缸上腔中通回油到差動(dòng)連接的轉(zhuǎn)換。

1.1.2 沖程過(guò)程

當(dāng)回程結(jié)束后，因受到活塞自重和后腔氮?dú)庥绊?，再加之由差?dòng)連接引起的高壓油依次通過(guò)前后腔，并在壓差等的影響下，液壓缸1沖程運(yùn)動(dòng)開(kāi)始，活塞勻速下落。在此過(guò)程中高壓蓄能器10蓄能，高壓油通過(guò)液壓缸1的上腔。因負(fù)載壓力的改變，活塞加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)換向閥2換向到位時(shí)，沖程過(guò)程結(jié)束。重復(fù)上述過(guò)程，使得活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連續(xù)不斷地工作。

1.2 相關(guān)液壓元件的熱損失計(jì)算

本文以GT90破碎錘為研究對(duì)象，其相關(guān)初始參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 GT90破碎錘參數(shù)表

1.2.1 液壓泵(齒輪泵)

液壓破碎錘的工作流量源于工程車輛總泵，便于研究，其液壓泵通常選為定量泵。本機(jī)系統(tǒng)的流量250L/min，系統(tǒng)壓力為30MPa。液壓泵工作產(chǎn)生的熱量

Hb＝860pbQb(1-ηb)λb/60 (1)

式中 pb——油泵的使用壓力，MPa；

Qb——油泵的額定使用流量，L/min；

ηb——油泵的總效率，一般取0.85；

λb——油泵的功率利用率，取0.7～0.8。

根據(jù)公式(1)得到泵產(chǎn)生的熱量Hb＝3 225kcal/h。

1.2.2 換向閥

根據(jù)通過(guò)該閥的最大流量和工作壓力，選擇相關(guān)閥體，壓力為PH＝16MPa，工作流量是QH＝120～180L/min，切換頻率為120次/min。換向閥產(chǎn)生的熱量

式中 ΔPH— 壓力損失，kg/cm2；一般ΔPH按泵輸入功率的10%～15%來(lái)考慮較為合適；

QH—工作流量，L/min。

根據(jù)公式(2)得到換向閥產(chǎn)生的熱量HH＝27 108.67kcal/h。

1.2.3 蓄能器

該系統(tǒng)圖特別增加了高壓蓄能器和低壓蓄能器，高壓蓄能器提供了輔助動(dòng)力，在短時(shí)間里能提供定量壓力油，來(lái)滿足系統(tǒng)對(duì)壓力、速度的要求，同時(shí)也起到吸收液壓沖擊能的作用[4]。低壓蓄能器在工作過(guò)程中起到了背壓、緩沖的作用。

Px=(1-λ)Pb(3)

式中，λ＝0.2～0.3；Qx＝Qb；Pxmax＝11.7MPa；Pxmin＝10.96MPa。

蓄能器產(chǎn)生的熱量

式中 ΔPX—壓力損失，kg/cm2；

QX—工作流量，L/min。

根據(jù)公式(4)得到蓄能器產(chǎn)生的熱量HX＝1 319.76kcal/h。

1.2.4 溢流閥

液壓油在溢流閥設(shè)定的壓力下通過(guò)溢流閥回流油箱時(shí)所產(chǎn)生的熱量幾乎全用于使油溫上升，破碎錘擊打頻率選取400BRM，溢流閥功率損失產(chǎn)生的熱量

式中 Py—溢流閥設(shè)定壓力，Py=30MPa；

Qy—通過(guò)溢流閥的流量，Qy=250L/min。

根據(jù)公式(5)得到溢流閥產(chǎn)生的熱量Hy＝70 500kcal/h。當(dāng)溢流閥調(diào)定壓力不適宜或其他工況原因，泵的全部流量流經(jīng)溢流閥溢回油箱時(shí)，此時(shí)功率損失最大。

1.2.5 油箱

油箱表面是液壓系統(tǒng)的散熱渠道，故其計(jì)算的是散熱量，油箱功率損失產(chǎn)生的熱量

Hy′＝kA(t1-t2) (6)

式中 A—油箱的散熱面積，A＝81.4m2；

k— 油箱表 面散熱系 數(shù)，k=10kcal/ （m2℃h）；

t1—油箱內(nèi)溫度，t1＝60℃；

t2—郵箱周圍空氣溫度，t2＝40℃。

根據(jù)公式(6)得到油箱產(chǎn)生的熱量Hy′＝16 280kcal/h。

1.2.6 其它元件的熱損失

液壓系統(tǒng)其它元件如減壓閥、電液換向閥、壓力控制閥、管路等，其功率損失產(chǎn)生的熱量H見(jiàn)公式(7)，這些原件發(fā)熱量均較小。

H=860Lq (7)

綜上所述，必須驗(yàn)算液壓系統(tǒng)的溫升，并予以優(yōu)化。對(duì)于不同的液壓系統(tǒng)，其允許的最高溫度因工作條件的不同而有所差異。工程車輛液壓系統(tǒng)中，正常工作時(shí)油溫為50～60℃，最高不能超過(guò)70～80℃。

2 溢流閥的熱仿真分析

液壓破碎錘在工作時(shí)壓力16MPa，流量為170L/min左右，而挖掘機(jī)的壓力卻是30MPa，流量為250L/min，因此溢流閥需要承擔(dān)繁重的分流、卸荷工作，故其在液壓系統(tǒng)中發(fā)熱量較多。本文就針對(duì)液壓系統(tǒng)中發(fā)熱量較多的先導(dǎo)式溢流閥進(jìn)行分析（破碎錘中選用的是先導(dǎo)式溢流閥）。

2.1 FLUENT模擬分析過(guò)程

將在Ansys Workbench 12.0中Mesh里建好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到FLUENT中進(jìn)行仿真分析[6]。

2.1.1 網(wǎng)格檢查及單位設(shè)定

單擊FLUENT操作面板中的Scale Mesh中的 Mesh Wad Created In及 View Length Unit In選擇mm；選擇Check按鈕，待文本界面出現(xiàn)Done，檢查最小體積和最小面積沒(méi)有負(fù)數(shù)。在SET Units對(duì)話框設(shè)置溫度單位為℃。

2.1.2 參數(shù)求解器的設(shè)定

Models中選擇Viscous-Laminar(湍流模型)中的k-ε雙方程模型，同時(shí)激活能量方程(energy)。

2.1.3 設(shè)定物料屬性

本文以液壓油黏性流體為研究的物料。液壓油密度為900kg/m3，黏度為0.1Pas，導(dǎo)熱系數(shù)為0.12W/(m℃)，比熱容為1 675J/(kg℃)。

2.1.4 邊界條件與初始條件的設(shè)定

溢流閥的閥體壁面與空氣直接接觸，它們之間的交換主要為熱對(duì)流，其計(jì)算公式可表示為

式中 λ—液壓油導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m℃)；

Tw—閥體壁面的溫度，℃；

ft—大氣溫度函數(shù)，℃；

h— 大氣與壁面間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/ (m℃)；

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液壓油的入口壓力為16MPa，壁熱邊界設(shè)為對(duì)流傳熱，熱交換率為48.85W/(m℃)。

2.1.5 設(shè)定求解控制參數(shù)

設(shè)置離散格式，欠松弛因子保持默認(rèn)狀態(tài)，設(shè)能量方程的殘差為10-4，連續(xù)性方程和k-ε方程殘差為10-5。經(jīng)過(guò)1 500次的迭代運(yùn)算后，進(jìn)出口質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果收斂。

2.2 模擬結(jié)果與分析

由圖2中出口質(zhì)量流曲線看出計(jì)算收斂，進(jìn)出口質(zhì)量流量誤差很小，只有2.99e-7，質(zhì)量流量是守恒的。誤差較小，可知得出的仿真結(jié)果可靠。按照以上參數(shù)設(shè)置，使用FLUENT進(jìn)行迭代計(jì)算與仿真，得到穩(wěn)態(tài)時(shí)液壓油及壁面的溫度場(chǎng)分布，其中液壓油僅是截取了進(jìn)口與出口的一部分進(jìn)行研究。

通過(guò)分析可知，溢流閥入口處的溫度較低，僅有65℃，壁面溫度與內(nèi)部空氣溫度一樣為60℃，經(jīng)過(guò)溢流閥頻繁的開(kāi)關(guān)工作，破碎錘液壓系統(tǒng)中的壓力從30MPa減少到了16MPa，減少的壓力全部轉(zhuǎn)換成為熱量使油溫升高，部分熱量傳到溢流閥壁面使溢流閥表面溫度變化。此時(shí)壁面的溫度將近132℃，出口處的油溫也達(dá)到了140℃左右。

溢流閥在工作過(guò)程中液壓油溫度逐漸升高，散熱量逐漸增加，可以根據(jù)溢流閥溫度分布的情況，合理布局導(dǎo)熱油管道，從而進(jìn)一步提高工作效率。

3 油溫升高原因及優(yōu)化冷卻設(shè)計(jì)

3.1 油溫升高原因及其冷卻方法

由上面分析結(jié)果可知經(jīng)過(guò)溢流閥的液壓油溫度逐漸升高，溢流閥發(fā)熱是壓力調(diào)節(jié)過(guò)度導(dǎo)致的。相關(guān)原因有：①溢流閥壓力調(diào)的比工作壓力低，一直溢流導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱；②如果是定量泵系統(tǒng)，發(fā)熱量較多就是由于長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)工作時(shí)間太長(zhǎng)，油液通過(guò)溢流閥流回油箱。

通常所用的冷卻方法有：①在系統(tǒng)回油上加冷卻系統(tǒng)（風(fēng)冷、水冷、空調(diào)冷卻，根據(jù)實(shí)際情況選)；②加在溢流閥的回油上；③單獨(dú)加一旁路進(jìn)行冷卻。本文中采用在系統(tǒng)油路上加油冷卻器的方法來(lái)進(jìn)行冷卻設(shè)計(jì)。

3.2 優(yōu)化冷卻設(shè)計(jì)

由論文前部分得出發(fā)熱量Qz＝23 047.86 kcal/h，傳熱方程式如下

Qm=KFΔtm（9）

式中 Qm—冷卻器傳遞的熱量，Qm=Qz；

K— 傳熱系數(shù)，板式換熱器取650kcal/℃hm2；

F—換熱器傳熱面積，m2；

Δtm — 油液與冷卻介質(zhì)空氣之間的平均溫差，可近似Δtm＝(ΔT＋Δt)/2＝46℃，其中ΔT＝T1-T2，Δt＝t1-t2，T1冷卻器油液入口溫度，取T1＝142℃，T2冷卻器油液出口溫度，取T2＝60℃，t1冷卻介質(zhì)空氣入口溫度，取t1＝40℃，t2冷卻介質(zhì)空氣出口溫度，取t2＝50℃。

將傳熱方程式變換為

F=Qm/KΔtm（10）

將以上數(shù)據(jù)代入式(10)中可得冷卻所需板式換熱器的換熱面積為F=3.05m2。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某型破碎錘液壓系統(tǒng)中溢流閥熱仿真分析，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)破碎錘液壓系統(tǒng)工作中發(fā)熱量最多的液壓元件是溢流閥。因此根據(jù)工作環(huán)境在溢流閥出口出增加一個(gè)散熱面積為3.05m2的冷卻器，可使液壓系統(tǒng)中的液壓油處于合適的范圍內(nèi)，防止油溫過(guò)高，影響到液壓系統(tǒng)的正常工作。

2)運(yùn)用了Fluent動(dòng)態(tài)仿真的特點(diǎn)對(duì)溢流閥的油溫變化進(jìn)行了熱仿真分析，仿真結(jié)果反映了液壓油溫的變化趨勢(shì)，與實(shí)際情況比較接近，為之后的整個(gè)破碎錘液壓系統(tǒng)的研究提供了必要的基礎(chǔ)。

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號(hào)］TG231.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)03-0072-04

［收稿日期］2014-11-17

The thermal simulation on hydraulic analysis of crushing hammer based on the FLUENT