力士乐A4VG泵使用要点（四） ——闭式系统的发热及冲洗

各位伙伴您要是有如下疑问，欢迎走入本期文章，一同开启这段美好的旅程。闭式系统发热量如何计算？补油泵流量在系统中如何分配？为什么需要冲洗阀？冲洗流量如何计算又改如何选择？...

引言

通过前面几期的分享，我相信各位伙伴对A4VG泵的原理及使用已有了初步的了解，本期，淘液压与各位一起聊聊闭式液压系统发热量的计算及散热和冲洗。

对于液压系统而言，油温过高会来到一系列的危害，高温使油液粘度降低，不利于泵内各个摩擦副之间油膜的形成，轻则发生轻微磨损，重则发生摩擦副两个零件之间的咬合；另一方面，液压系统的高温更容易使溶解在油中的空气在低压区溢出形成气泡，增大发生气蚀的风险。这些不利因素的发生将大大影响液压元件的性能及系统的寿命。

因此，将液压系统的热平衡温度控制在一个合理的范围里就显得尤为重要了。

接下来，淘液压（微信公众号：taoyeya2014)以A4VG泵与马达构成的系统为例聊聊闭式液压系统发热和散热功率的估算以及冲洗量的选择等。

一:闭式系统发热功率的估算

对于任何液压系统而言，其在能量转换的工程中都会发生能量的损失，主要包括动力元件和执行元件机械能的损失、节流损失、管路沿程压力损失等，根据能量守恒原理，这些损失的能量（或者称为功率）最终都转化为热量，换言之，液压系统损失的功率即为系统的发热功率。这些热量被系统中的元件吸收，最终使系统的温度升高。



（ 图片来自网络）

因此，我们要估算液压系统的发热量只需算出它的发热功率即可。

对于闭式液压系统（以A4VG泵与A6VM马达构成的系统为例）如下图，其发热功率主要包括：

-A4VG泵的发热功率；

-A6VM马达的发热功率；

-冲洗阀的发热功率；

-补油溢流阀的发热功率；

-管路的沿程压力损失；

-主油路上安全阀（高压溢流阀）发热功率；

-压力切断阀的发热功率；

-泵头控制阀及变量活塞的发热功率；

其中，高压溢流阀作为系统的安全防护元件只在压力冲击出现的瞬间开启，冲击消除后立即关闭，发热功率很小；压力切断阀通过感知负载压力的变化，来改变控制油压力大小，其发热功率也很小；由于变量活塞的行程很小且泵在工作时大部分时间斜盘摆角是在一个小范围内调整，其发热功率在整个闭式系统中所占比重很小。

所以，我们在估算系统的发热功率时只需要考虑泵、马达、补油溢流阀、管路及冲洗阀的发热功率。



（图片来自网络：闭式系统原理图）

1:泵的发热功率计算

泵的发热主要来自两大部分，其一，动力单元（发动机或电机）驱动泵时的机械能损失，泵内部机械能损失（轴承、变量活塞、斜盘等）；其二为泵内泄引起的能量损失。所以，我们可以用下面的算式来计算泵的发热功率（感兴趣的伙伴可以自行推到一下）。



算式1：液压泵的发热功率

对于A4VG泵而言，通常内置一个内啮合的齿轮泵作为补油泵，因此在计算泵的发热功率时，自带补油泵，需要同时计算补油泵的发热功率；

在上面的算式中

-液压泵的排量可以根据设备常用工况进行估算出来。当然我们也可以使用泵的最大排量来计算，这样估算出来的泵发热功率会偏高，后面选择冲洗流量或散热器功率时也会偏大，但这对降低系统的温度是有力的；补油泵是一个定量泵，其排量固定，可从泵的样本上查询到他的数值，通常是主泵最大排量的20%；

-液压泵的转速，若是电机驱动，那就是固定的数值；若是发动机驱动，只需根据设备常用工况时的速度来计算即可，同样道理也可以使用发动机的额定转速；

-液压泵的容积效率，A4VG泵的容积效率通常在95%~98%之间；

补油泵的容积效率，补油泵工作压力一般25bar左右，参考力士乐样本中近似排量的内结合齿轮的压力流量图，工作压力25bar时，容积效率可以达到95%左右；

-液压泵的机械效率，通常我们可以按照90%来考虑；

-液压泵两油口的压差，主泵的压差我们可以按照系统的额定工作压力减去泵低压侧压力（通常接近补油泵压力）来考虑；补油泵的压差为补油溢流阀设定压力减去吸油口压力；

2:液压马达的发热功率

与泵的发热功率推到方法类似，我们可以推倒出液压马达的发热功率计算公式如下：



算式2：液压马达发热功率

-液压马达的转速，可以根据设备常用工况时的执行机构速度推算出来，同样道理也可以使用发动机的额定转速；

-液压马达的容积效率，A6VM马达的容积效率通常在95%~98%之间；

-液压马达的机械效率，通常我们可以按照90%来考虑；

3:冲洗溢流阀的流量及发热功率

在A4VG与A6VM马达组成的闭式系统中，冲洗阀可以集成在马达后盖上，也可以安装在高低压油路之间。原理类似，如下图



冲洗阀原理图

由冲洗阀的工作原理可以知，通过冲洗阀的流量可以根据小孔节流的流量公式计算出来，如下：



算式3：冲洗流量计算式

通常冲洗阀的开启压力为16bar，我们可以近似地认为节流孔前后压差为16bar；因此，可方便地计算出冲洗流量。

冲洗阀的发热功率为：



算式4：冲洗阀发热功率

4:补油溢流阀的流量及发热功率

补油溢流阀用来调定补油泵的出口压力。补油泵的流量主要用来补充闭式系统的油液（少量用来充当控制油），因此补油泵流量减掉泵马达泄漏以及冲洗油液，即为通过补油溢流阀的流量。

所以，补油溢流阀的发热功率为：



算式5：补油溢流阀的发热功率

5:管路沿程压力损失的发热功率

在闭式系统中，管路主要包括主油路的高低压油管；泵马达的泄油管。泄油流速很低，可以不考虑其发热功率。因此，我们可根据下面的算式来估算系统管路的发热功率：



算式6：管路压力损失的发热功率

在上面的算式中，泵马达的实际流量可以根据执行机构的速度，并考虑容积效率，便可以反推出来，管子长度及管径是可以测量出来，液压油的密度可根据温度查出，沿程阻力系数也可根据手册查出。

所以，对整个闭式液压系统来说，其总的发热功率为：

Ps=P1+P2+P3+P4+P5

算式7：系统总发热功率

接下来，我们继续聊聊闭式系统的散热功率。



二:闭式系统散热及冲洗

从闭式系统的工作原理可以看出，工作中产生的热量主要通过补油泵输出的油液带走，然后通过管路、泵马达壳体、散热器、油箱散发到空气中。往往管路、泵马达壳体等元件表面散发掉的热量相对系统产生的热量是很小的，一般在计算系统散热功率时可以忽略不计。

因此，闭式系统中的热量主要通过：

-散热器散发掉；

-油箱散发掉；

1:系统的散热功率及说明

首先，我们来看看整个液压系统的散热功率算式，如下：



算式8：闭式系统的散热功率

在这个算式中，闭式系统的热油温度，在淘液压看来可理解为进入散热器前的油液温度，通常在70~80摄氏度比较理想（当然与选用的液压油牌号也有关系），这也是希望系统达到的热平衡温度。

根据这个算式，我们可以看出当我们确定了希望系统要达到的热平衡温度(此时系统的发热功率等于系统的散热功率（Ps=PL)）后，边可以反推出系统热平衡时的油箱温度。

在实际的工作中，油箱温度能否被控制在期望的范围里，主要看散热器的功率及油箱的散热功率。对于散热器来讲，其功率可根据厂家提供的参数获取；油箱的散热功率可根据油箱设计的参数计算出来。因此，要想实现期望的系统热平衡温度，需要选择合适的散热器，设计合理的油箱结构。

2:关于系统的冲洗

从上面的分析我们可以看出，就整个系统而言，散热器功率及油箱散热能力影响其热平衡温度。但具体到液压泵和液压马达内部的温度，它是会高于系统的热平衡温度的。所以，为了将泵、马达的内部温度控制在合理的范围里，常常需要对马达或泵的壳体进行冲洗。

-对于A4VG泵而言，其壳体的冲洗是来自补油泵的油液通过补油溢流阀进入壳体并从泵泄油口流出来实现的，冲洗流量为通过补油溢流阀的油量；

-对于A6VM马达来说，其壳体冲洗是通过安装在马达后盖上的冲洗阀实现的，冲洗量为通过冲洗阀的流量；

我们同样可以参考算式8来估算冲洗油分别对泵或马的散热能力。从算式8可以看出，增大冲洗量可降低泵或马达的内部温度。

下图显示了补油泵流量在系统中的分配情况，从图中我们可以定性地看出， 泵壳体的冲洗量与补油溢流阀设定压力成反比（但补油压力的大小直接影响控制油压力，从而决定主泵是否可以正常工作，不可以为了增大冲洗量而故意调低补油溢流压力），马达壳体的冲洗量与冲洗阀中的节流孔大小成正比，可以通过更换不同的阻尼改变马达壳体冲洗量。



补油泵流量分配及各部分冲洗量

冲洗阀流量及马达建议的冲洗量可参考下表



需要说明的是：冲洗流量的选择需要兼顾两方面的要求，其一不可以影响泵的补油压力，其二将马达壳体温度控制在合适的范围。当两者无法兼顾时，首先确保系统的补油压力正常，然后通过增大散热器功率等方法来降低壳体温度。



小结

-闭式系统的温度与补油泵补充到系统中的油液温度有关，他们之间的温差与系统的工作压力有关，工作压力越高温差会越大；

-闭式系统的散热是通过补油泵的油液讲系统的热量带走，经由散热器和油箱散发掉；

-冲洗可以降低泵、马达壳体温度，在选择冲洗流量时首先要确保系统的补油压力正常；

-增大补油泵流量或增大散热器功率，合理地设计油箱可以增大系统的散热功率；

-闭式系统中使用散热器时，要考虑泵马达壳体压力不可以超过允许值；

参考文献：

【1】 桑月仙，于兰英，王国志，闭式液压系统补油泵研究，机械工程及自动化 2010.6

【2】 张志友，姚怀新 ，闭式系统内油温的测算 ，筑路机械与施工机械化  1999.16（3）

【3】  博世力士乐 泵马达产品样本

接下来的内容更精彩，敬请关注

2016.4.4 力士乐A4VG泵介绍（一）

（泵的结构，原理及常见控制形式）2016.4.12 力士乐A4VG泵介绍（二）

（液压油的选择，过滤形式及油液清洁度保证）2016.5.3  力士乐A4VG泵介绍（三）（安装形式、吸泄油管路布置；）

2016.5.12  本期： 力士乐A4VG泵介绍（四）（闭式系统的发热冲洗；）力士乐A4VG泵介绍（五）（调试及故障诊断）力士乐A4VG泵介绍（六）（故障案例分享）

    关注 淘液压