捣固车液压油温度自动控制散热系统设计-.pdf

第 7 卷第 2 期 2 0 0 9年 6月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R N A L O F C ON S T R U C T 1 0 N MA C H I N E R Y V0 1 ． 7 No ． 2 J u n ．2 0 0 9 捣固车液压油温度 自动控制散热系统设计 陈扬新 ， 熊肖磊 ， 周奇才 ， 张泽峰 1 ． 南昌铁路局 鹰潭工务机械段， 江西 鹰潭3 3 5 0 0 0 ； 2 ． 同济大学 机械工程学院， 上海2 0 1 8 0 4 摘要 分析和研究了自动抄平起拨道捣固车的液压系统， 得出了液压油温度过高的原因和解决问题的途径， 通 过对降低液压系统温升的措施的比选和液压降温散热系统的比 选 ， 提出了一套切实可行的液压油温度 自动控制 散热系统的实施方案． 关键词 捣固车；散热系统；自动控制 ； 液压； 油温 中图分类号 U 2 1 6 ． 6 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 0 9 0 2 0 1 7 5 0 5 Ra di a t i o n s ys t e m de s i gn f or t a mpi ng t r uc ks vi a a ut o m a t i c hydr a ul i c oi l t e mp e r a t ur e c o nt r ol C ／ - ／ ／ Y a n g - x i n ，X I O N G X i a o - l e i ，Z HOU q i c a i ，Z HA N G Z e - f e n g 1． Yi n g t a n Me c h a n i c a l Ma i n t e n a n c e Di v i s i o n， Na n c h a n g Ra i l wa y Ad mi nis t r a t i o n，Yi n g t a n 3 3 5 0 0 0，Ch i n a； 2 ． C o l i e g e o f Me c han i cal E n g i n e e r i n g ， T o n g j i Un i v e r s i t y ， S hanghai 2 0 1 8 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s s t u d y ， t h e h y d r a u l i c s y s t e m f o r t a mp i n g t r u c k s i s i n v e s t i g a t e d i n t e r ms o f a u t o ma t i c l i f t i n g ， l i n i n g a n d l e v e l i n g ． Ac c o r d h n g l y ， t h e c a u s e s a n d s o l u t i o n s f o r e x t r a h i g h h y d r a u l i c o i l t e mp e r a t u r e a r e s p e c u l a t e d ． Th r o u g h c o mp a r i s o n a n d s e l e c t i o n o f t e mp e r a t u r e - r i s e r e d u c t i o n me a s u r e me n t s a n d h y d r a u l i c t e mp e r a t u r e r e d u c t i o n r a d i a t i o n s y s t e ms ， t h e a u t o ma t i c r a d i a t i o n s y s t e m i s f e a s i b l y i mp l e me n t e d b a s e d o n a u t o ma t i c h y d r a u l i c O i l t e mp e r a t u r e c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s tamp i n g t r u c k ；r a d i a t i o n s y s t e m ；a u t o ma t i c c o n t r o l ；h y d r a u l i c p r e s s u r e；o i l t e mp e r a t u r e 自 动抄平起拨道捣固车是机、 电、 液一体化的大型线路维修机械， 其中液压系统是捣固车的重要组成 部分， 是捣固车作业的主要传动方式， 它的捣固、 起道、 拨道、 夯实、 甚至空调都是采用液压传动， 而液压传 动在工作时， 对液压油的温度有较高的要求． 当液压系统的油温超过最大允许温度时， 此时只能停机， 等待液压油温度恢复正常后才能继续进行作 业 ， 使得作业效率大大降低 ， 无法充分利用天窗时间． 根据现场作业人员的介绍 ， 在夏天高温季节中， 为了 防止油温过高， 只能利用早晚的时间进行作业， 使作业安排受到很大影响． 自 实施提速战略以来， 对捣固车的作业效率和作业质量提出了更高的要求， 但由于作业强度的提高， 使得现已存在的高温问题更显突出[ 1] ． 在此背景下， 本文设计了液压油温度 自动控制散热系统， 可有效地 解决上述问题． 液压系统温升的原因分析 捣固车的工作装置主要包括捣固装置、 夯实装置和起拨道装置， 这些工作装置的液压系统共有 3 1 个 需要动作的油缸； 液压制动系统和液压支撑系统共有 1 1 个油缸． 全部的4 2 个油缸控制着捣固车的各种动 作者简介 陈扬新 1 9 6 7 一 ， 男， 高级工程师． E - m a i l c y x h s in _ O 1 s i n a ． c o i n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 6 中国工程机械学报 第 7卷 作． 油缸作业时的基本顺序为 升降油缸使捣固镐插入道床一定深度， 夹持油缸开始夹持动作， 夹持完毕 后， 升降油缸把捣固装置升起， 同时， 夹持油缸动作使内外捣固镐张开 ， 准备下一次捣固． 在这个回路中， 夯 实器升降油缸与捣固装置同升降油缸步动作， 捣固装置横移油缸依线路情况随时动作 ] ． 通过对捣固车温升产生原因和影响因素分析， 得出系统对散热强度的要求， 这是提出新增散热系统性 能参数的理论基础． 捣固车在作业时属全液压驱动， 它的全部作业机构 由 7个 叶片泵提供油源， 主要的执 1 行元件为叶片马达和摆线马达． 另有不少执行元件为液压缸， 但其所需功率仅为液压系统功率的音． 由于 J 叶片泵、 叶片马达和摆线马达的容积效率较低 一般不大于0 ． 9 2 ， 故泵和马达的总效率在 8 5 ％以下， 如果 考虑液压阀的局部损失和管路的沿程压力损失等， 则液压系统的总效率在 8 0 ％左右． 事实上大多数液压系统的总效率在 8 0 ％左右， 对柱塞泵一 柱塞马达系统或柱塞泵一 油缸系统 ， 其效率 可达 8 5 ％～8 8 ％， 而叶片泵一 叶片马达系统或叶片泵一 摆线马达系统 的总效率一般低于 8 0 ％． 考虑到捣固 车采用的是高性能叶片泵一 叶片马达、 摆线马达和油缸的混合系统， 将其总效率考虑为 8 0 ％是合理的． 可 见大约有 2 0 ％的能量损失在液压传动中， 它们中的绝大部分都转化为热能， 使液压系统温度升高， 并由系 统的各元件和热交换器散发到大气中[3 ] ． 2 降低液压系统温升的方式的比选 2 ． 1降温措施的比选 对降温措施进行 比选 ， 从而确定或制定最经济可行的方案 ， 是本研究项 目的最终 目标 ． 由前面的分析 可知， 导致系统温升容易超限的原因是系统效率低和散热条件不够， 所以针对性的降温措施有主动和被动 两种 ． 1 主动降温措施 主动降温措施是提高系统的总效率， 必须改善液压系统中影响系统效率的主要液 压元件效率， 更换柱塞泵和柱塞马达后 ， 需对捣固车的液压系统进行较大的变动， 还要对捣 固车的结构进 行改造， 因此这种方法不适合使用单位的设备改造． 2 被动降温措施 被动降温措施是加强液压系统的散热强度的方法， 即采用增加一套强制冷却系 统， 通过对原冷却装置和新冷却装置的联合控制， 自动调节液压系统的油温， 使其保持在最佳工作温度范 围内． 根据降温措施比选结论， 选择被动散热系统的方案， 即通过附加的冷却系统实现降温目的． 2 ． 2 降温散热系统的比选 通常在液压系统中可通过加装冷却器对油温进行控制． 冷却器分为空气冷却器 简称空冷器 和水冷 却器两大类． 如果选用水冷却器散热， 必须在系统中加装 1 套循环冷却水装置， 同时需要加装 1 个冷源不 断向冷却系统提供冷量． 尽管该方案的散热效率很理想， 但这样既增加了系统的初投资， 又增加了运行费 用． 由空冷器和水冷却器的经济性判定 ， 也可得出利用 自然风作为冷却源的空气冷却器适合本项 目的液压 系统． 因此 ， 综合本项 目的具体情况 ， 拟选取空冷器作为本项 目液压系统 的冷却器 ， 用 以控制油温． 空冷器型式的选择包括 以下 内容 1 通风方式． 采用何种通风方式是空冷器设计首先要考虑的问题． 空冷器的通风方式主要包括 鼓 风式、 引风式和自 然通风式， 根据本项目的液压系统的散热特性和系统使用环境特性， 本方案选用鼓风式 空冷器． 2 换热器结构． 传热管一般水平布置， 也可倾斜或垂直布置， 工艺流体侧管筋为焊接或铸造结构的 管束和法兰盖结构的管束． 当管箱为焊接结构时， 在管箱前面对应传热管开孑 L ， 拧人栓塞； 管子清理、 固紧， 都通过这个栓塞孔进行． 当管箱为法兰盖结构时， 因为取掉盖板， 清理管子简单， 所以， 当工艺流体容易结 垢时， 采用这种型式． 本项目 采用吸人式水平传热管． 3 空冷器选型． 本项目选择了控制液压系统油温的轻型 Ⅵ 型板鳍式铝制空气冷却器． 该冷却器 采用世界最新同步分层流动散热技术， 在同等散热能力下， 其体积为传统空气冷却器的6 ％～1 0 ％， 质量 只有传统的4 ％“ - - 5 ％． 该空气冷却器控温效果良 好， 安装的方式简易． 通过对捣固车的现有回路进行分析， 考虑现有回路流量和工作过程， 接合实际可操作性， 对比不同型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 陈扬新， 等 捣固车液压油温度自动控制散热系统设计 号的冷却器技术指标， 最终选择 Y L F 6 0 0型风冷型油／ 液冷却器． 具体各项数值见表 1 ， 温控范围 6 0 ～ 8 0℃ ． 表 1 Y LF 6 0 0 型风冷型油／ 液冷却器参数 T a b ． 1 YL F 6 0 0 a i r - c o o l e d t y p e o i l ／ fl u i d c ool e r p a r a me t e r s 3 自动控制散热系统的实施方案 3 ． 1 油源 和油路 由于原液压系统是由发动机通过机械传动直接驱 动， 故在系统中另加油泵是不现实的 ， 而且捣 固车中的 电力系统的功率有限， 也不能增加电驱动的液压泵． 因 此采用对原液压系统中的油液进行冷却成为唯一的方 式， 即通过在原液压系统的回油路中加入冷却器， 以实 现散热的 目的． 原液压系统中有 7个泵分别供应不同的工作机 构， 由于各机构离回油口和离油箱有不同的距离， 因此 形成 了较为复杂的回油管路 ， 见 图 1 ． 根据管路布置图 和实地考察， 系统中主要有 5条回油管路 ①2条为捣 固装置振动马达的回油管 ， 油泵 的额定流量为 2 1 7 L mi n ～． ②1条 为夯拍器溢 流 阀的回油管 ， 它的流量 为 图 1 原液压系统的回油管路系统 Fi g ． 1 Or i g i na l h y d r a ul i c s y s tem p i p e l i n e s y s t e m 泵 6 9 ． 7 L mi n ～． ③第 4条为原散热系统风扇马达的液压油回油管 ， 它的液压泵 的输 出油液经马达或溢流 阀后合并为一路回油箱， 因此不管马达是否工作， 回油管中的流量始终是恒定的． 同时由于风扇马达的驱 动力矩较小， 回油阻力对系统基本没有影响． 因此若流量合适， 该油路是较为理想的冷却油源． 其额定流量 为 3 7 ． 1 L ra i n ～． ④最后 1 条是综合的回油管路， 其他所有回油流量均通过该油路返回液压油箱[ 5 ] ． 通过空冷器选型计算可得出进入冷却器中的最小流量应达到 Q 2 7 ． 9 6 4 1 ． 9 4 L m i n ～， 故选用 原散热器风扇驱动回路的回油油液作为冷却油源较为合适 见图 2 ． 为了防止冷却器堵塞引起油路故障， 在冷却器的上并联 1 个背压阀， 背压阀开启压力为0 ． 5 MP a ． 3 ． 2 通风方式 鼓风式和引风式空冷器相 比， 鼓风式空冷器 由于冷却效率高、 体积小、 驱动功率小等优点较 为适合捣固机的能量供给较为紧张、 结构紧凑的 要求 ． j 由于从液压系统中获取能量的方式易引起 原液压系统 中相关机构的动力不足 ， 因此考虑采 用电驱动的方式． 捣固机的电力系统为由2台 3 k W的直流电动机供电， 而一般的冷却风扇电 机为交流 2 2 0 V， 因此可选用 1台逆变器进行驱 动， 由温度自动控制系统进行控制． 3 ． 3 温度自动控制系统 通过温度传感器检测 液压油 箱中液 压油的 图 2 新增冷却器的油路连接 Fi g． 2 Ad d e d o i l c o o l e r c o n n e c t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 7 卷 温度， 由油温控制器控制冷却风扇的运转及速度， 达到控制冷却强度的目的． 由于温度检测与冷却器问有 较大的延迟， 应采取适当的校正方式对系统进行校正， 以防止系统发生振荡或开关过于频繁 见图3 ． 温度自 动控制系统由温度传感器、 温度控制器及其相关辅助元器件组成． 根据系统的要求、 工作环境、 控制方式及控制对象等方面的情况 ， 进行系统方案设计及电气元器件选择 ． 由于测温范围较小 一2 O ～1 5 0 ℃ ， 可选用铜热电阻作为温度传感器 ， 型号为 WZ C一2 2 1 型， 其性能如 表 2所示， 表中 t为测试温度． 箧H 鎏H 鲨H 婴H f ] 传 感 器 厂 I 油 箱 l 表 2 温度传感器性能表 Ta b ． 2 T e mp e r a t u r e s e ns o r pe r f o r ma n c e t a b l e 温度控制器可选用智能型数字温度控制器， 经过选型， 采用和热电阻配套的由T o a k e 公司生产的D H 系列智能温度控制表 ， 型号为 D HT 4 8 P B． 温度控制采用闭环控制 ， 实现对温度 的自动控制 ， 温度控制器 的校正方式采用 P I D校正 ， P I D的参数可采用 自整定的方法确定 ， 也可在调试时通过试验采用手动进行 设定． 油温 自动控制系统电气设计 表3 温度自动控制元器件 油温控制系统采用手动控制和自动控制两种 控制方式， 由手动开关进行转换 ． 手动时， 只要电 源开关打开， 则散热系统将一直工作． 当处于自动 工作方式时， 冷却风扇 电机由温度控制器根据温 度传感器实测的温度进行控制． 温度 自动控制元器件清单见表 3 ， 温度 自动 控制系统的电气原理图如图4所示， 2 4 V直流电 源经 由逆变器逆变为交流 2 2 0 V电源 ， 由电源开 关控制向油温 自动控制系统供电． 为了提高 自动控制系统 的性能 ， 在控制系统 中采用 P I D调节器进行串联校正 ， 由温度控制器 实现这一功能． 温度控制器中设有数字 P I D调节 Ta b ． 3 Au t o ma t i c t e mp e r a t ur e c o n t r o l c o mp o n e n t s l i s t 器， 改变冷却风扇电机的占空比实现冷却强度的自动调节。 P I D调节器的参数可通过自正定方法自动设 定， 当然也可手动设置， 手动设置时需在现场调试时通过试验确定． 图4 温度自动控制电气原理图 Fi g 4 Au t o ma t i c t e mp e r a t ur e c o nt r o l e l e c t r i c s c h e ma t i c d i a g r a m 机 当液压油的温度超过许用的最高温度时， 温度控制器的警告灯将点亮， 同时接通蜂鸣器发出声音报 警 ， 最高温度可在面板上设置改变． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 陈扬新， 等 捣固车液压油温度自 动控制散热系统设计 油温自动控制系统的主要元器件装在 1 个控制箱内， 在控制箱上设有操作面板． 控制箱安装在驾驶室 内， 温度传感器安装在油箱上 ， 直接测量液压油箱内液压油 的温度 ． 冷却风扇 电机 和油冷却器作 为 1个组 件安装在捣固车中部的空旷处． 它们通过屏蔽信号电缆和动力电缆连接到控制箱内． 它们之间的接线见智 能控制器的接线图和温度 自动控制电气原理 图． 在操作面板上有当前实际油温和最佳设定温度值显示 ， 所 有系统参数设定均在面板上进行 ． 改进前后效果对 比见表 4 ． 表 4 改进前后 效果对 比 Ta b． 4 Co mp a r e o f t he e f f e c t i mp r o v e d a n d t h e o r i g i n a l 4 结语 本文设计的散热系统在原有液压散热系统的基础上， 增加 1 套能自动调节液压油温散热设备， 其中温 度自 动控制电气系统采用智能温度控制器为主的闭环控制系统， 采用 P I D调节器校正， 同时系统具有 自 动报警功能． 经过实践应用检验， 证实该系统有效可行， 效果良好． 该方案的实现具有重要的现实意义， 可 有效提高作业效率和作业可靠性； 减轻了工作人员的压力； 可降低配件消耗， 保护精密液压元件． 参考文献i E l i 章立早． 影响捣固车作业质量的因素及整改措施[ J ] ． 上海铁道科技， 2 0 0 2 4 1 9 2 0 ． Z H A N G L i z a o ． F a c t o r s a n d i m p r o v e m e n t m e a s u r e s i m p a c t o n t h e q u a il t y o f t a m p i n g r n a c h i n e o p e r a t i n g [ J ] ． S h a n g h a i R a i l w a y T e c h n o lo - g i e s ， 2 0 0 2 4 1 92 0． E 2 ] 夏传延， 陈扬新． 铁路捣固车液压系统的高温病因分析与防治措施口] ． 中国工程机械学报， 2 0 0 5 ， 3 3 3 5 7 3 6 0 ． XI A Ch u a n y a n， C HEN Ya n g xi n ． Th e C a u s e a n a l y s i s a nd c o n t r o l me a s u r e s o f r a i l tamping ma c h i n e o f the hi g h t e mp e r a t u r e h y d r a u l i c s y s t e m 口] ． J o u r n a l o f C h i n a C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y ， 2 0 0 5 ， 3 3 3 5 7 3 6 0 ． r- 3 3 韩志清， 唐定全． 抄平起拨道捣固车[ M] ． 北京 中国铁道出版社， 2 0 0 1 ． H A N Z h i q i n g ， T A N G D i n g q u a n ． T a m p i n g m a c h i n e [ M 3 ． B e ij i n g C h i n a R a i l w a y P r e s s ， 2 0 0 1 ． E 4 ] 侯宪春 ， 马晓军 ． 液压系统温升过高的原因及防治口] ． 工程机械与维修 ， 2 0 0 3 1 1 1 0 31 0 4 ． H O U X m n c h u n ， MA X i a o j u n ． T h e Cau s e s a nd p r e v e n t i o n o f e x c e s s i v e t e m per a t u r e r i se o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m E J ] ． Con s t r u c t i o n M a c h i n e r y a nd Ma i nt a i n， 2 0 0 3 1 1 1 0 31 0 4 ． [ 5 ] 关肇勋， 黄奕振． 实用液／ , li i l 路[ M] ． 上海 上海科学技术文献出版社， 1 9 8 2 ． G U A N Z h a o x u n ． H U A N G Y i z h e n ． P r a c t i Cal h y d r a u l i c c c u i t [ M J ． S h a n g h a i S h a n g h a i S c i e n t i f i c a n d T e c h n o l o g i c a l L i t e r a t u r e P r e s s ， 1 9 8 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m