薄板冲压液压机液压系统热平衡设计.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ．2 0 1 1 薄板冲压液压机液压系统热平衡设计 翟 华 王玉 山 ， 2 严建文 1 , 2 李安应 1 ． 合肥工业大学机械与汽车工程学院 ， 安徽合肥2 3 0 0 0 9 ； 2 ． 合肥锻压集团有限公司， 安徽合肥2 3 0 0 0 9 摘 要 液压系统是薄板 冲压液压 机中重 要的组 成部分 ， 主 机动作 、 送料系统等基本动作都需 要液压系统来完成 ， 又由于其 自身工作 特性 ． 是主要薄板 冲压液压机的故障发生区。液压 系统工作时 ， 由于液压泵 、 液压阀 、 液压缸等元 件的功率损失 和管路 的压力损失会转 化成热能 ， 使液压油温度上升。 在对薄板冲压液压机中的液压 系统热平衡进行分析基础上 ， 开发了热平衡计算及优化软件 ， 计算管路及 阀的发热量 ． 找到现有 系统 中发热关键因素 ， 从而改善系统 的发热量 ， 对薄板冲压液压机系统设计有一定指导意义。 关键词 薄板冲压液 压机 ； 液压系统 ； 热平衡 ； 优 化 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 1 2 0 0 1 7 0 3 De s i g n o f La r g e S h e e t S t a mp i ng Hy d r a u l i c Pr e s s Hy d r a u l i c S y s t e m He a t Ba l a n c e Z HAI Hu a WANG Y u s h a h 。 Y AN J i a n - w e n 。L I An ， 1 ． T h e s c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o m o b i l e E n g i n e e r ，H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a ， 2 ． He f e i Me t a l f o r m i n g Ma c h i n e T o o l L i mi t e d ，H e i 2 3 0 0 0 9 ，C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c s y s t e m i s t h e i mp o r t a n t c o mp o s i t i o n o f t h e l a r g e s h e e t s t a mp i n g h y d r a u l i c p r e s s ， wh i c h c a n h e l p t o a c h i e v e b a s i c a c t i o n o f t h e l a r g e s h e e t s t a mp i n g h y d r a u l i c p r e s s s u c h a s p r e s s mo v i n g ， c a r r i a g e s y s t e m r a i s i n g a n d S O o n ． Hy d r a u l i c s y s t e m i s t h e ma i n f a i l u r e a r e a o wi n g t o wo r k i n g c h a r a c t e r i s t i c of i t s e l f ． B e c a u s e t h e p o w e r l o s s o f t h e c o mp o n e n t s s u c h a s h y d r a u l i c p r e s s u r e p u mp s ， h y d r a u l i c v v e s ， o i l c r o c k s a n d t h e p r e s s u r e l o s s o f t h e p i p e l i n e t r a n s f o r m t o h e a t ， t h e t e mp e r a t u r e o f t h e h y d r a u l i c o i l ri s e s u p ． t h e h e a t b a l a n c i n g s o f t wa r e s y s t e m w a s d e v e l o p e d b a s e d o n a n a l y s i s o f t h e l arg e s h e e t s t a mp i n g h y d r a u l i c p r e s s h y d r a u l i c s y s t e m， i t c a n c a l c u l a t e t h e h e a t o f p i p e a n d v a l v e ． a n d fi n d t h e k e y f a c t o r of s y s t e m． i mp r o v e t h e h e a t ． T h e s o f t w a r e c a n b e g o o d h e l p t o h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n ． Ke y W o r d s l a r g e s h e e t s t a mp i n g h y d r a u l i c p r e s s ； h y d r a u l i c s y s t e m； h e a t b ala n c e； o p t i mi z a t i o n O 引言 随着发达国家大力开发混合动力汽车 、新能源汽 车 ． 以及汽车行业进入多车型小批量生产 ， 大量需要柔 性高的薄板冲压液压机产品 ，大型数控单双动薄板冲 压液压机液压系统是重要组成部分 ，本文针对液压系 统工作 中油温过高的现象 ，经过数据分析 、热平衡计 算 ， 找出其油温高的根本原 因， 并制定出行之有效 的改 进措施 。 1 薄板冲压液压机液压系统 液压系统是提供液压机 的动力源 ， 由泵 、 换 向阀 、 基金项 目 国家重大科技专项资助 项 目编 号 2 0 0 9 Z X0 4 0 0 4 0 2 1 安徽 省 自然科 学基 金资助 项 目编号 0 9 0 4 1 4 1 5 5 。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 2 8 作者简 介 翟华 1 9 7 3 一 ， 男 ， 安徽合 肥人 ， 合肥工业大学机械与汽 车工 程 学 院教授 ， 研究方 向 液压机设计理论及方法 。 溢流阀 、 冲液阀 、 液压缸 、 柱塞缸 、 冷却器 、 辅件及管路 等元件组成 。以 R Z U 8 0 0 H型 8 0 0 0 k N快速薄板冲压液 压机作为测试机床进行研究 ，其 系统压力的主要要求 为 ①压力调节范围为 3 - 2 5 MP a ； ②在压力调节范围内 系统设定值与检测值 压力传感器输 出值 压力差小于 最大值的 2 ％ 0 ． 5 MP a ；③压力稳定时间不大于 1 s ； ④ 最大超调压力不大于 1 MP a 。 控制原理图如图 1所示。 采用直动式 比例压力阀 1 作为先导阀． 控制插装阀 2 。由P L C直接给比例阀 1 设 定信号 ， 由于系统本身是非线性的 ， 在从 3 - 2 5 MP a 进行 加压试验时 ，比例阀的设定值与实际压力值并不能成 比例地对应 。当油温上升时 ， 液压系统的压力增加值非 常大 ，在油温 1 8 ℃和 3 9 ℃进行测定 ，压力最大增加 了 1 ． 2 MP a 。试验表明， 设定值与显示值受系统的非线性和 油温的影响 ， 出现很大偏差 ， 无法满足要求 。 1 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 l 2期 图 1 薄 板 冲 压 液 压机 的液 压 系 统 2 薄板冲压液压机液压系统中的热平衡分析 快速薄板 冲压液压机的液压系统在使用过程 中会 出现系统过热的问题。据调查显示 。 液压系统的工作油 温较高是影响系统及元件可靠性和整机作业效率 的主 要因素之一 。因此如何保证液压系统在工作过程 中热 平衡处于正常运转状态 ，是保证机器正常可靠作业的 关键 。 液压系统温度升高的危害主要体现在 以下方面 ①液压 系统 油温过高将导致液压 系统热平衡温度 升 高， 使油液黏度降低、 泄漏增加。 ②引起热膨胀， 造成不 同材质的运动副的配合 间隙变化 ．破坏运动副间的润 滑油膜， 加速磨损。③容易造成油液汽化， 使“ 气蚀” 现 象更加严重。 ④密封件和高压软管的寿命受到影响， 使 其加速老化甚至变质。⑤ 整个系统 的性能 、可靠性 降 低。 ⑥容积效率下降， 效率降低， 造成整机生产率下降。 根据有关数据统计 ，如果在 5 0 ℃时柱塞缸提升时间为 8 s ，当温度升高到 9 0 ℃时提升时间变为 l 2 ． 6 s 。油温过 高 ， 还将导致液压油变质 ， 导致产生的沉积物堵塞液压 系统组成的4 qL 和缝隙， 从而影响整机的正常工作 。 液压系统工作时，液压系统产生热量的主要原因 为 液压泵和液压缸的容积损失和机械损失将消耗一 定的能量 ； 在实现能量转换与传递过程中 ， 液压系统 阻 力必然也要消耗一部分能量，这部分能量的损失主要 体现为流量和压力损失 ； 密封摩擦 、 相互运动的机械摩 擦副之间的摩擦阻力也要损耗一定 的功率 ；当液压泵 处于压缩行程时．液压油特别是渗入的空气被压缩至 高压时， 也将产生热量。 液压系统过热主要是由系统产生的热量过多或者 系统的散热能力不足这两个方面的因素引起的。液压 系统的散热的主要途径可通过油箱及元件 向四周散发 或是流经热交换器冷却。如果散热器失效 ， 引起散热量 不足 ．或实际环境与原设计 的使用环境温度差别太大 等因素， 均会造成系统的散热能力不足。 过去对液压系统油温高的处理方式， 只是想方设法 如何提高散热器的散热面积， 没有分析油温高的根本原 因。应从液压系统产生热量的根源人手 ， 分析导致油温 高的主要原因， 力求从系统本身减少热量的产生。 1 R 3 液压系统热平衡计算的理论依据 3 ． 1 液压 系统的发热量 根据整机热平衡试验 ， 在 1 个工作循环中可以分为 有载运行和无载运行 2种工况 ， 滑块下降时分有载运行 工况和空载工况，根据不同时段液压泵工作压力P、 工 作流量 Q、 工作时间 及所输出的功率 ， 、 ， 的计算值l l J 。 Ⅳ 1 0 p b Q 6 1 2 1 1 个工作循环时间 ，液压泵损失产生热量 日。 的 计算公式 H, 6 0 p b p 1 一 n ／ n 式中 p 厂 _ 液压泵额定压力， 取 p b 1 4 MP a ； p 厂液压泵额定流量 ； 1 个循环中， 液压泵功率利用率 。 3 ． 2滑块损失产生的热量 滑块损失的热量分有载和无载两种工况 ，损失产 生的热量 计算公式翻 H 2 3 6 0 0 ∑f N i 1 - n n ／ T o ] 2 式 中 液压缸的输出功率 ； 肌液压缸的效率， n n O ． 9 2 。 3 ． 3滑块下降时势能损失产生的热量 滑块下降时势能损失产生的热量 日 ， 计算公式[ 1 H 3 9 ． 8 Kl G h ／ l O 0 0 3 式中G 滑块质量 K．载荷为 G运动次数 ， K。 1 3 。 3 ． 4管路及液压元件阻力损失产生热量 管路及液压元件阻力损失产生的热量 H 计算公 式[ 4 1 6 O p Q h 4 式 中p 液压 系统 中的油液流经管件及元件 时产 生的压力损失 ， 一般取 p 1 ． 5 MP a 。 3 ． 5 液压 系统油箱的散热量 油箱 的散热量 弛 计算公式[ 5 1 T h l g／ 1 ． 5 式中 厂 _ 一 散热系数， 一般取 Ki-- 4 1 ． 8 6 8 k m 2 ． h o C ； I_油箱散热面积； 7 油液最高温升 ， 取 5 O ℃。 3 ． 6 油箱和油液温度升高所吸收的热量 油箱和油液温度升高所吸收的热量 计算公式 T h 2 c l ml - -c 2 m 2 6 式中c 厂_ 油箱材料的比热， 钢材取C l 0 ．5 0 2 4 k J ／ k g K ； c 厂油液比热， 取平均值 c 1 ． 7 5 8 k J ／ k g K ； m． 油箱质量 ； 厂油液质量。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 1 持不变 ， 因此可以考虑提高液压泵的额定压力 P， 液压 缸无杆腔的压力随之提高 ，液压缸的作用面积相应减 小 ， 系统流量减小 ， 而压力损失基本不变 ， 总发热量下 降 ，散热 面积下 降。比如将压力 由 1 4 MP a提高到 2 0 MP a ， 冷却器散热面积下降 3 0 ％。 2 增大油箱的有效容积。 尽量增大油箱的有效容积 ，油箱散热面积 A i 随 之增大并保证油箱具有 良好的通风条件 。油箱的散热 量 ， 会增大 。 如将油箱散热面积 Ai 增大至 1 倍 ， 冷却 器散热面积 A也相应下降 1 2 ％。 5 结论 根据现有薄板冲压液压机液压系统 ，分析液压系 统中的发热量和散热量 ，并计算 出相应的冷却器散热 面积 ，即液压泵损失产生的热量和系统管路及液压元 件阻力损失所产生 的热量 占整个液压系统发热量的 7 O ％以上 ， 是系统中发热的关键因素 ， 经过分析， 提高液压 泵的额定压力和增大油箱的有效容积均可以有效改善 系统的发热量。 3 ． 7 冷却器散热面积的计算 根据能量守恒定律 ，单位时间内系统产生的总热量 总是等于系统温度升高所需的热量与散发到环境 中的热 量之和， 据此计算冷却器散热面积A为 A f H - HH ／ E T m 7 式中 一系统总发热量； 日日 系统总散热量； 一 污垢系数 ， 一般为 1 ． 4 ～ 2 ． O ； 冷却器的散热系数 ，风扇强制冷却时 E 1 0 4 ． 6 7 k J ／ m 2 ． h K ； 。 一 油液与冷却介 质空气 之间的平均 温差 ， 2 0 ℃。 4 热平衡计算及优化措施 4 ． 1 液压 系统热平衡计算及优化程序 可以通过高级编程语言实现以上计算的程序化 ， 分 别计算发热量和散热量 ． 程序计算界面如图 2所示 ， 程序 结构图如图 3所示。 巨 囊 匣 图 3程序结构图 4 ． 2系统的优化措施 1 提高液压泵的额定压力 。 从上述液压系统热平衡 的计算 可以明显看 出 ， 一 般液压泵损失产生的热量和系统管路及液压元件阻力 损失所产 生的热量 占整个液压 系统发热量 的 7 0 ％以 上 ， 是系统中发热的关键 因素。 改进时要满足正常速度 ，液压缸的活塞受力要保 参 考 文 献 【 1 】 李 正江． 叉 车液 压 系统热 平衡计 算[ J ] ． 起 重运 输机 械 ， 2 0 0 2 1 1 ． 【 2 】 张壮志． 浅谈液压系统的发热及其估算【 J ] ． 煤矿机电 ， 1 9 9 4 3 ． [ 3 ] 杨世铭． 传热学基础【 M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 3 ． 『 4 1 张文杰． 能量守恒定律在液压系统发热分析中的应re[ J ] ． 太原 重型机械学院学报 ， 2 0 0 2 1 ． [ 5 1 刘学 元． 液压油温升过 快的原因及对策[ J 1 ． 工程机械与维修 ， 1 9 9 7 9 ． 1 9