浅谈液压系统风冷却器的选用与计算方法

.浅谈液压系统风冷却器的选用与计算方法原创：DG_baitu机械选型与应用1周前风冷式油冷却器（简称风冷却器）是一种以空气为冷却源的铝合金板翅式热交换器，其特点是热交换器芯体的油通道和风通道均设换热翅片，同体积比换热面积大，传热效率高，以空气为介质进行热量交换。与水冷式散热器相比，不仅安装维护简便，更可避免铜管爆裂造成的油水混合，对系统造成严重的毁坏。其次，对于需要变换工作地点的设备（如工程机械）来说，不需考虑水源的供应，不存在水循环系统的拆装和重建，是应用日益广泛的环保型产品。目前，国内的风冷却器生产厂家很多，型号也不尽相同，性能参数、安装尺寸等出入较大，对用户的选型和使用造成一定的困扰。在此，结合我厂开发生产和客户使用的经验，谈几点风冷却器选用中应注意的问题，供大家参考并希望指正。任何一款产品在设计的时候，首先考虑的是达成其功能性，或者说功能性是第一位的，这是设计最基本的要素，风冷却器也一样，给合常用设备液压系统的油温散热要求，它的功能性着重体现在三个主要方面：一、适用压力；二、适用流量；三、换热效率。选用风冷却器时，这三个方面必须同时满足，才算基本达到你的使用要求。下面就从这三个方面展开谈谈。一、适用的压力通常指允许最大的工作压力，或称设计压力。风冷却器属于压力容器，在液压系统中，只适合用于回路的回油冷却，所以要根据回路的最大压力来选用风冷却器。为什么只用于回油冷却呢？暂且不论油温升高的成因，就风冷却器本身而言，其散热主体（换热芯）的耐压能力是有限度的，板翅式铝合金换热芯的耐压能力取决于其材质物理性能、结构和加工工艺。比方说，结构和加工工艺相同，材质也一样，油通道材料的厚度不同，耐压能力也不同，越厚耐压力越高。板翅式铝合金风冷却器的设计压力一般小于3.5Mpa，基于成本和实用性等原因通常是小于2.0Mpa,国外同行设计压力多为1.6 Mpa，均远小于油路的最大工作压力。显然，压力过高会导致换热芯爆裂损坏。市面上流通的风冷却器产品，设计压力一般分为三级：1，1.0Mpa(如AF系列)；2，2.0Mpa(如AH系列)；3, 3.5Mpa。设计压力1.0Mpa的仅适用于变量叶片泵的泄油冷却。考虑到液压系统回路压力不稳定以及回油瞬间可能产生的高压脉冲，为确保风冷却器的使用寿命，生产产商强烈推荐-优先采用独立循环的冷却方式。独立循环就是风冷却器不再接到工作液压系统的回路中，而是设置一个单独的冷却回路，即加装一个冷却泵，直接从油箱吸取高温的液压油，经风冷却器冷却后直接送回油箱，这样就可避免回油压力过高而损坏风冷却器了。独立循环冷却泵的流量通常选取小于液压油容积的三分之一。当需要接于定量泵的回油冷却时，设计人员应考虑到液压系统中回油压力的不稳性，将风冷却器联接于溢流阀的回油口，并于风冷却器的进、出油口之间并联一个开启压力0.5Mpa的背压阀，这是正确使用的方法（见下图示）。当用于变量泵的泄油冷却时，由于其压力通常小于1Mpa，只要流量合适，那么直接接于变量泵泄油口便可以了。笔者遇到这样一个案例：一个客户将一台型号为AH0608TL（适用压力2.0M0pa，流量50L/min）接于一台快进-工进-快退的工作机上，结果在机械调试的过程中就发现换热芯漏油，一看油通道爆开了。该客户原来使用水冷却器，应用户要求改用风冷却器，由于风冷却器是直接接于回油路中，并没有加装背压阀，而且系统回油速度很快，回油产生的脉冲压力过高瞬间就将风冷却器击爆了。AF1025HD1861T安装示意图二适用流量 风冷却器生产商提供的性能参数表中，就有适用流量这一项，常指静压状态下低粘度液体每分钟的通过量。在液体流速0.2-0.4m/s的范围内，风冷却器油通道是不容易爆裂的，故风冷却器适用流量值是理论的计算结合实际的经验测试综合得出。对于选用产品的工程师而言，准确的回油流量计算往往较为复杂。所以，结合油路实际工况，用经验的方法，就简便得多了。经验计算如下：风冷却器的工作流量=油泵流量油缸有效面积比安全系数其中： 油缸有效面积比=无杆腔受压面积有杆腔受压面积（1） 安全系数：1.21.8，常取1.5如果是多支油缸同时回油，视具体的情况要考虑在内，流量相应要加大，乘以相应的倍数。案例一：已知系统油泵GPY-10（10.06ml/rev）,电机转速1390rpm,一支工作油缸(液压缸内径50mm,活塞杆直径20mm)，求风冷却器的工作流量？油泵流量=10.061390=1398.34ml14L/min 无杆腔受压面积(50/2)2=625 mm2有杆腔受压面积=(50/2)2(20/2)2=525 mm2油缸有效面积比=625 mm2/525 mm2=1.19 安全系数取1.5,则有:风冷却器的工作流量=141.191.525L/min故选用风冷却器的适用流量值大于或等于25L即可，再结合系统的发热功率的大小，选定型号。需要注意的是，静压（压力基本恒定）状态下，液压油会通过换热芯所有的油通道，但在有脉冲的情况下，液压油只会通过部分的油通道，形成瞬间压力过高是导致换热芯爆裂的常发原因,这也是调机时应多加注意的事项。因此，不能按照风冷却器的工作流量等于油泵的排量来选型。三 换热效率 通俗地说，就是风冷却器的散热效率。许多用户在选型时，往往选好适用的流量就OK了，然后根据流量值对应的型号，选用一款风冷却器，这是不全面的。因为流量满足你的使用要求，并不代表该风冷却器的散热效率也同时满足你的要求。前面讲到：一、适用压力；二、适用流量；三、换热效率。选用风冷却器时，这三个方面必须同时满足，才算基本达到你的使用要求。 常有客户打电话问,说我的主油泵才30L/min,而我选了某牌子的60L/min的风冷却器，怎么油温还降不下来啊.,我第一句话就说那可能是冷却器的散热效率不够，举个例字：同样是30L/min主油泵系统，有的电机功率是3kw,有的配5.5kw甚至更大，系统热损耗当然不同。另外，就算是电机功率也一样，你的系统工况不一样，有的保压时间长，有的保压时间短，系统的热损耗也不一样，你就要考虑使用的风冷却器的换热效率了。风冷却器的精确选型方法方法一：功率损耗计算法（最精确的方法）测算现有设备的功率损失，利用测量一定时间内油的温升，从而根据油的温升来计算功率损失。通常用如下方法求得： PV = T*C 油* 油*V/t/60KW PV 功率损耗KW T 系统的温升 C 油 当量热容量KJ/L，对于矿物油：1.88KJ/KGK 油 油的密度KG/L，对于矿物油：0.915KG/L V 油箱容量L t 工作时间min例：测量某一液压系统在20 分钟内油温从20上升到45，油箱容量为100L。产生的热功率为：PV = 25*1.88*0.915*100/20/60 = 3.58KW然后按系统正常工作的最佳期望油温来计算当量冷却功率： P01= PV /（T1-T2）*KW/ P01 当量冷却功率 T1 期望温度 T2 环境温度 安全系数，一般取1.1 假如该系统的最佳期望油温为55，当时的环境温度为35 P01 =3.58*1.1/（55-35）=1.97KW/ 最后按当量冷却功率来选择所匹配的冷却器。方法二：发热功率估算法（最简单的方法）一般取系统总功率的1/3 作为冷却器的冷却器功率。方法三：流量计算法（最实用的方法） A用于回油管路冷却 Q =L*S*S =A1/A2 B 用于泻油管路 或 独立冷却回路冷却 Q =L* 式中 Q冷却器的通过量L/min L 油泵的吐出量L/min S 有效面积比 A1 油缸无杆腔有效面积 A2 油缸有杆腔有效面积 安全系数（1.5 2），一般取1.8，液压油黏度越大则安全系数越大 。对于需要配置或改装液压冷却系统的机动车辆，计算出液压系统单位时间内的热损耗，即系统的发热功率Pv，然后结合你需要的油温期望值T1，对照风冷却器的当量冷却功率P1 曲线图，选择与之匹与的型号。这是普遍使用的计算方法。必须注意，在测定系统单位时间内油的温升时，要区分是否有冷却器在工作，该文所指的工况是系统没有冷却器时油的温升。计算公式：Pv= 油VC 油T/H， 式中：Pv：发热功率（W） 油：油的密度（常取0.85Kg/L）V：油的容积（L）C 油：液压油的比热容，常取2.15Kj/KgT：一定时间内油的温升H:温升时间（s）例：某一液压系统（无冷却器的工况下）在10 分钟内油温从30上升至45，液压油的容积为80L。发热功率计算如下：Pv=0.85802.15（45-30）/（1060）=3.655Kw已知环境温度T2=30，最佳油温期望值55，则当量冷却功率计算如下：P1= Pv/（T1 -T2）， 式中：P1：当量冷却功率（w/）：安全系数，一般取1.1T1：油温期望值（）T2：环境温度（）故：P1=3.6551.1/（55-30）=0.161Kw/=161 w/对应主泵流量，依据161 w/的当量冷却功率查曲线图，选取匹配的风冷却器。最方便的另一种散热计算法，是发热功率估算法：一般取系统总功率的1/31/2 作为冷却器的散热功率，若工况为长时间保压状态（如夹紧作业），则系数最大值推荐2/3。怎样选择及判断什么样的风冷却器是好的冷却器呢？怎样使用才能延长机器的寿命呢？今天就谈下风冷却器应该怎样选购。一般来说，选择一款好的风冷却器有以下几种方法：1.流量计算法 2.发热功率估算法 3.功率损耗计算法。每种方法都有其各自的特点，今天就给大家详细介绍一下方法1：最实用的方法-流量计算法A用于回油管路冷却Q =L*S*S =A1/A2B 用于泻油管路 或 独立冷却回路冷却Q =L*式中Q 风冷却器的通过量L/minL 油泵的吐出量L/minS 有效面积比A1 油缸无杆腔有效面积A2 油缸有杆腔有效面积 安全系数（1.5 2），一般取1.8，液压油黏度越大则安全系数越大方法2：最简单的方法-发热功率估算法一般取系统总功率的1/3 作为风冷却器的风冷却器功率。方法3：最精确的方法-功率损耗计算法测算现有设备的功率损失，利用测量一定时间内油的温升，从而根据油的温升来计算功率损失。通常用如下方法求得：PV = T*C油*油*V/t/60KWPV 功率损耗KWT 系统的温升C 油 当量热容量KJ/L，对于矿物油：1.88KJ/KGK 油 油的密度KG/L，对于矿物油：0.915KG/LV 油箱容量Lt 工作时间min例：测量某一液压系统在20 分钟内油温从20上升到45，油箱容量为100L。产生的热功率为：PV = 25*1.88*0.915*100/20/60 = 3.58KW然后按系统正常工作的最佳期望油温来计算当量冷却功率：P01= PV / （T1-T2）*KW/P01 当量冷却功率T1 期望温度T2 环境温度 安全系数，一般取1.1假如该系统的最佳期望油温为55，当时的环境温度为35P01 =3.58*1.1/（55-35）=1.97KW/最后按当量冷却功率来选择所匹配的风冷却器。.