三峽升船機(jī)對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行溫度分析

李明

摘 要：通過對(duì)三峽升船機(jī)對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)組成特點(diǎn)及其運(yùn)行特性分析，提出了液壓系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)實(shí)際中對(duì)運(yùn)行溫度變化的分析需求，結(jié)合系統(tǒng)組成特點(diǎn)進(jìn)行了運(yùn)行溫度變化理論分析，建立了對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的溫度仿真模型，找到了正常運(yùn)行工藝下對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)在典型環(huán)境溫度下的運(yùn)行溫度變化規(guī)律，為液壓系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)和優(yōu)化提供理論參考。

關(guān)鍵詞：三峽升船機(jī);對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu);液壓系統(tǒng);運(yùn)行溫度;AMEsim仿真

中圖分類號(hào)：U642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0080-03

三峽升船機(jī)船廂液壓系統(tǒng)共6套，其中4套分別布置在船廂兩側(cè)的4個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)房?jī)?nèi)，均分別操作鄰近的一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧、一套對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)、一套橫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)或一套縱導(dǎo)向頂緊機(jī)構(gòu)的液壓設(shè)備。其中，液氣彈簧和縱導(dǎo)向頂緊機(jī)構(gòu)運(yùn)行動(dòng)作行程和時(shí)間較短，且分布于船廂內(nèi)部，其運(yùn)行溫度影響較小;橫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在正常狀態(tài)下，設(shè)計(jì)原理決定其運(yùn)行頻率較少;只有對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定和解鎖動(dòng)作耗時(shí)較長(zhǎng)，特別是解鎖動(dòng)作原理為，液壓系統(tǒng)按解鎖最大溢流壓力運(yùn)行，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的解鎖運(yùn)行依靠彈簧力進(jìn)行液壓系統(tǒng)的回油動(dòng)作，液壓油介質(zhì)的溫度和粘度會(huì)影響其解鎖動(dòng)作的狀態(tài)變化，且對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)備布置的特點(diǎn)，其受環(huán)境溫度影響較大。

溫度引起液壓系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化，會(huì)導(dǎo)致一系列典型的運(yùn)行故障，低溫條件下，液壓油液粘度加大，對(duì)于液壓系統(tǒng)液壓泵、濾油器等器件產(chǎn)生了不利的運(yùn)行條件，且粘度加大，還會(huì)加大系統(tǒng)的能量損失，是液壓系統(tǒng)需要避免的情況。高溫條件下，液壓油粘度下降，系統(tǒng)容積損失增加，潤(rùn)滑性能降低，也會(huì)影響液壓系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

但是，由于液壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)有大量產(chǎn)生熱量的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)高壓大流量液壓油經(jīng)過器件時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，系統(tǒng)液壓油高壓至低壓動(dòng)作也會(huì)產(chǎn)生大量熱量，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的無用功占比仍然不低，液壓系統(tǒng)運(yùn)行同時(shí)具備“加熱”和“散熱”兩種功能，液壓系統(tǒng)運(yùn)行溫度變化具有一定復(fù)雜性。

1對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)

目前對(duì)接鎖定液壓系統(tǒng)油箱均采用了加熱器和溫度控制檢測(cè)裝置相結(jié)合的設(shè)計(jì)布置，在液壓油箱的溫度低于某一要求數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)加熱器運(yùn)行，來解決液壓油介質(zhì)溫度較低的問題。對(duì)于高溫條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)并無單獨(dú)散熱措施考慮，主要還是通過液壓油箱、液壓管路、液壓油缸及其與環(huán)境之間的散熱。

對(duì)于所述的對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)，其在典型溫度下的運(yùn)行溫度變化如何：

（1）低溫條件下，當(dāng)三峽升船機(jī)滿計(jì)劃連續(xù)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)是否不再需要加熱器，而可以通過系統(tǒng)運(yùn)行自身產(chǎn)生的熱量滿足油液升溫的需求;

（2）高溫條件下，當(dāng)環(huán)境溫度較高，特別是高溫暴曬的油缸等溫度較高時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行的溫度變化是什么規(guī)律。

2 對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行溫度仿真建模

在近似建模中，主要考慮液壓系統(tǒng)兩點(diǎn)，一是認(rèn)為對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行在封閉系統(tǒng)中，環(huán)境在某一段運(yùn)行時(shí)間為定量;二是考慮液壓系統(tǒng)主要通過油箱與外界進(jìn)行熱交換，油箱與環(huán)境進(jìn)行熱交換的方式主要有熱對(duì)流和熱輻射，主要考慮液壓系統(tǒng)的對(duì)外散熱。

2.1油箱熱交換分析

熱對(duì)流換熱的理論公式為：

注：T1、T2為熱對(duì)流兩處的溫度，A為熱對(duì)流的橫截面積。

在近似建模時(shí)，熱輻射在封閉系統(tǒng)中只區(qū)分油箱和環(huán)境，熱輻射能量公式為：

注：T1、T2為熱輻射的兩物體溫度，為物體間的等效輻射系數(shù)，為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，A為熱輻射的有效面積。

由AMESim的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，油箱的發(fā)熱時(shí)間計(jì)算公式如下：

注：T為設(shè)定溫度，T0為環(huán)境溫度，k為傳熱系數(shù)，A為散熱面積，Q為液壓油比熱，M為液壓油質(zhì)量，P1為發(fā)熱功率，P2為加熱功率，P3為冷卻功率。

油箱的系統(tǒng)熱平衡溫度計(jì)算公式如下：

油箱的散熱效率計(jì)算公式如下：

2.2溫度模型建模

依據(jù)對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)控制原理，建立如下AMEsim近似模型，主要包含油箱、液壓泵、電機(jī)、溢流閥、容積、單向閥、電磁換向閥、油缸等。

2.3模型參數(shù)設(shè)定

各器件和模型的參數(shù)值設(shè)置，參照對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的組成和運(yùn)行情況，如下表1所示。

電磁換向閥的運(yùn)行參數(shù)為鎖定和解鎖動(dòng)作的一個(gè)完整運(yùn)行流程，給定為：完成鎖定動(dòng)作后，停機(jī)10s，再繼續(xù)完成解鎖動(dòng)作。

3仿真結(jié)果

3.1低溫環(huán)境下對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行溫度仿真

當(dāng)液壓泵站初始溫度為15℃，液壓油缸初始溫度為0℃時(shí)，進(jìn)行了液壓系統(tǒng)的運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果如下：

3.2高溫環(huán)境下對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行溫度仿真

當(dāng)液壓泵站初始溫度為30℃，液壓油缸初始溫度為40℃時(shí)，進(jìn)行了液壓系統(tǒng)的運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果如下：

4 分析與結(jié)論

（1）由仿真結(jié)果，兩種典型環(huán)境溫度下，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)一個(gè)完整運(yùn)行流程后，液壓泵站油箱液壓油都有一定程度的溫度升高，但溫度增長(zhǎng)不明顯，主要是因?yàn)閷?duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的單次運(yùn)行時(shí)間較短。當(dāng)在實(shí)際運(yùn)行條件下，考慮到管路、器件的散熱因素，和液壓系統(tǒng)的實(shí)際溫度模型是非封閉系統(tǒng)，實(shí)際的運(yùn)行溫度上升數(shù)值將更小，說明對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)單次運(yùn)行對(duì)其溫度變化實(shí)際影響較小。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，需要開啟油箱加熱器對(duì)液壓油進(jìn)行加熱，以保證整個(gè)液壓系統(tǒng)液壓油滿足運(yùn)行要求。

（2）由仿真結(jié)果，兩種典型環(huán)境溫度下，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)一個(gè)完整運(yùn)行流程后，油缸的液壓油溫度逐漸變化為與泵站油箱液壓油溫度值一致，說明液壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的油液交換，對(duì)外部環(huán)境下的液壓油溫度影響較為明顯。

特別是對(duì)于較多管路和油缸布置在外部環(huán)境下的液壓系統(tǒng)，在低溫環(huán)境較長(zhǎng)時(shí)間未運(yùn)行條件下，提前一次完整運(yùn)行，對(duì)解決外部環(huán)境液壓油由于溫度較低導(dǎo)致粘度加大而引發(fā)一系列運(yùn)行故障的問題有一定的可行性和預(yù)期效果。

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