液壓鑿巖臺(tái)車(chē)油箱改造及熱平衡計(jì)算分析

吳相斌

(中鐵隧道集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司，河北三河 0 65201)

0 引言

中鐵隧道集團(tuán)專(zhuān)用設(shè)備中心修造廠(chǎng)原存放一臺(tái)山特維克(原湯姆洛克，已被山特維克收購(gòu))三臂門(mén)架式液壓鑿巖臺(tái)車(chē)，該臺(tái)車(chē)是湯姆洛克(洛陽(yáng))機(jī)械有限公司比照同類(lèi)臺(tái)車(chē)加工制造的門(mén)架式液壓鑿巖臺(tái)車(chē)，其工作臂的工作原理、主要結(jié)構(gòu)基本上與輪胎式臺(tái)車(chē)相同。該門(mén)架式液壓鑿巖臺(tái)車(chē)為軌行式三臂一籃，未曾使用，以散件的形式存放在庫(kù)房。為使他們發(fā)揮應(yīng)有的作用，公司以有限的投入購(gòu)買(mǎi)了二手底盤(pán)，采用技術(shù)改造的方法對(duì)閑置設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑旌拖到y(tǒng)集成升級(jí)，這樣不但可以緩解公司的資金壓力，增加公司的臺(tái)車(chē)資源，同時(shí)也增強(qiáng)了技術(shù)儲(chǔ)備。

在長(zhǎng)大鐵路、公路隧道施工中臺(tái)車(chē)使用越來(lái)越廣泛［1］，前人主要在臺(tái)車(chē)設(shè)備管理、施工、使用、維護(hù)和保養(yǎng)及改造等領(lǐng)域做了大量的探索研究。在設(shè)備管理方面，康寶生［2］分析總結(jié)了臺(tái)車(chē)施工過(guò)程中的綜合數(shù)據(jù)與使用經(jīng)驗(yàn)，探索了影響鑿巖臺(tái)車(chē)機(jī)械化施工的關(guān)鍵因素，并提出了提升臺(tái)車(chē)設(shè)備管理的思路;在施工方面，文獻(xiàn)［3-5］從項(xiàng)目管理者與施工者的角度出發(fā)，研究并總結(jié)了不同地質(zhì)條件下鑿巖臺(tái)車(chē)的施工方法與工藝，獲得了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，一定程度上提升了機(jī)械化施工技術(shù)水平;在設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)方面，文獻(xiàn)［6-8］總結(jié)了鑿巖臺(tái)車(chē)使用過(guò)程中的故障現(xiàn)象，并分析故障原因，探索解決設(shè)備故障的方法，為設(shè)備的良好運(yùn)作提供了有力保障;在臺(tái)車(chē)改造方面，文獻(xiàn)［9-10］通過(guò)技術(shù)改造，增強(qiáng)了鑿巖臺(tái)車(chē)的個(gè)別功能，提升了鑿巖臺(tái)車(chē)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的適用性。

前人所做的大量工作中，針對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)液壓油箱改造的研究尚不多見(jiàn)。本文主要介紹了鑿巖臺(tái)車(chē)液壓油箱的改造原因、改造依據(jù)，以及熱平衡計(jì)算分析過(guò)程，通過(guò)采用理論計(jì)算的方式論證了油箱改造的合理性。不僅解決了鑿巖臺(tái)車(chē)改造過(guò)程中液壓油箱的安裝問(wèn)題，而且為其他類(lèi)似設(shè)備油箱改造及系統(tǒng)集成提供了經(jīng)驗(yàn)與思路。

1 改造原因

液壓油箱主要是儲(chǔ)存油液，此外還具有散發(fā)油液中的熱量(在周?chē)錃鉁囟容^低的情況下則是保持油液中熱量)、釋放混在油液中的氣體及沉淀油液中污物等作用。液壓泵站有整體式和分離式2種。整體式泵站將油泵內(nèi)置于油箱，這種泵站結(jié)構(gòu)緊湊，各處漏油易于回收，但增加了設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性，維修不便，散熱條件較差，且會(huì)使油泵產(chǎn)生熱變形。分離式泵站單獨(dú)設(shè)置，油箱與液壓油泵分開(kāi)，減少了油泵發(fā)熱和液壓振動(dòng)，因此得到了普遍的采用。

門(mén)架式臺(tái)車(chē)采用的液壓油箱是3套整體式泵站，油箱的長(zhǎng)×寬×高為770 mm×560 mm×810 mm，電機(jī)安裝在液壓油箱上部，油泵內(nèi)置(見(jiàn)圖1)。原門(mén)架式臺(tái)車(chē)體型巨大，3套泵站有足夠大的空間安裝。但輪式臺(tái)車(chē)系統(tǒng)集成度高，空間尺寸有限，這3套整體式泵站均不具備直接使用的條件。

購(gòu)買(mǎi)的輪式臺(tái)車(chē)底盤(pán)上裝有一個(gè)分離式液壓油箱(見(jiàn)圖2)，計(jì)劃通過(guò)改造與集成的方式將門(mén)架式臺(tái)車(chē)的電機(jī)油泵與輪式臺(tái)車(chē)的液壓油箱組合使用，這樣能夠節(jié)省臺(tái)車(chē)的安裝空間，優(yōu)化臺(tái)車(chē)的整體布置。通過(guò)機(jī)械改造的方式，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)油泵與液壓油箱的改造，但其安裝后油箱的容量是否滿(mǎn)足要求，系統(tǒng)的散熱性能是否受到影響是改造成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。本文將重點(diǎn)對(duì)容量與系統(tǒng)熱平衡進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 整體式液壓油箱Fig．1 Ⅰntegral hydraulic oil tank

圖2 分離式液壓油箱Fig．2 Separate hydraulic oil tank

2 液壓油箱改造容量論證

輪式臺(tái)車(chē)自帶油箱總?cè)萘繛?25 L。門(mén)架式臺(tái)車(chē)工作泵站有3個(gè)，每個(gè)油箱的大小為770 mm×560 mm×810 mm，則油箱容積為330 L，而泵站內(nèi)置，需減去油泵體積，約270 L，總體容積大于輪式油箱的容積。故需要對(duì)改造后的液壓油箱容量進(jìn)行論證。

2．1 從液壓執(zhí)行件及設(shè)計(jì)角度考慮油箱容量

2．1．1 液壓執(zhí)行件最大儲(chǔ)油量

液壓鑿巖臺(tái)車(chē)有 2個(gè) ZRU1000大臂、1個(gè)ZRU1400大臂和1個(gè)吊籃臂。以ZRU1000為例，分別計(jì)算各個(gè)油缸的最大容量，即活塞桿全部伸出后油缸所能容納油的體積。

式中:Vmax為油缸的最大容積，L;d為活塞直徑，mm;h為油缸行程，mm。

根據(jù)式(1)分別計(jì)算各個(gè)油缸的最大儲(chǔ)油量。

1)小臂舉升油缸?；钊睆?25 mm，活塞桿直徑50 mm，h=320 mm，則 Vmax=3．93 L。

2)大臂伸縮油缸。活塞直徑80 mm，活塞桿直徑50 mm，h=2 000 mm，則 Vmax=10．05 L。

3)錨桿油缸?；钊睆?25 mm，活塞桿直徑50 mm，h=320 mm，則 Vmax=3．93 L。

4)小臂擺動(dòng)油缸?；钊睆?25 mm，活塞桿直徑50 mm，h=290 mm，則 Vmax=3．56 L。

5)大臂擺動(dòng)油缸(上)。活塞直徑125 mm，活塞桿直徑50 mm，h=490 mm，則 Vmax=6．01 L。

6)大臂擺動(dòng)油缸(下)?；钊睆?25 mm，活塞桿直徑 50 mm，h=490 mm，則 Vmax=6．01 L。

7)大臂舉升油缸?；钊睆?10 mm，活塞桿直徑110 mm，h=670 mm，則 Vmax=10．27 L。

8)推進(jìn)梁伸縮油缸?；钊睆?5 mm，活塞桿直徑32 mm，h=1 350 mm，則 Vmax=3．2 L。

ZRU1000總?cè)萘康扔谏鲜鋈萘靠偤停s50 L，以此類(lèi)推ZRU1400大臂的執(zhí)行件儲(chǔ)油量為70 L，吊籃臂的最大儲(chǔ)油量為40 L。故3條臂的液壓油儲(chǔ)油總量為210 L。

2．1．2 油管及閥組內(nèi)油液容量

整車(chē)油管較多，故閑置時(shí)需要儲(chǔ)存大量液壓油，以下粗略估計(jì)用油量。執(zhí)行件鉆機(jī)的用油量很大，但是儲(chǔ)油量很小，將其閑置時(shí)的用油量粗略估計(jì)到油管中。同樣適用式(1)分別計(jì)算各種規(guī)格液壓油管的儲(chǔ)油量。

1)2 寸管，L=3 m，1 根，計(jì)算得 V=5．9 L;

2)11/4寸管，L=4 m，8根，計(jì)算得V=36 L;

3)1寸管，L=4 m，10根，計(jì)算得 V=20 L;

4)1/2 寸管，L=4 m，40 根，計(jì)算得 V=20．3 L;

5)3/4寸管，L=4 m，30根，計(jì)算的V=34 L;

6)1/4寸管，L=4 m，40根，計(jì)算得V=5 L;

7)3/8寸管，L=4 m，200根，計(jì)算得V=61 L;

故總?cè)萘考s為=182 L。

在所有液壓元件裝滿(mǎn)油液后，估計(jì)用油總量為210+182=392 L，小于油箱低位時(shí)的儲(chǔ)油量，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)手冊(cè)的要求。

2．2 油泵及油箱液面變化分析

3組三聯(lián)泵耗油量為438 L，則油箱容量除以油泵每分鐘的排量所得系數(shù)為1．43(即625/438)，符合移動(dòng)機(jī)械1～3的系數(shù)。

油管和閥組內(nèi)的油在初次調(diào)試時(shí)就會(huì)充滿(mǎn)，最后所有油缸縮回時(shí)，就是油箱最高液面，再適當(dāng)?shù)奶砑有掠图纯伞Ｒ好孀兓恐饕Q于油缸，以ZRU1000大臂油缸為例，計(jì)算所有油缸液壓油變化量。V=πD2/4×h×10-6。 (2)式中:V為油缸液壓油變化量，L;D為活塞桿直徑，mm;h為油缸行程，mm。

1)活塞直徑125 mm，活塞桿直徑50 mm，h=320 mm，則 V=0．63 L。

2)活塞直徑80 mm，活塞桿直徑50 mm，h=2 000 mm，則 V=3．9 L。

3)活塞直徑140 mm，活塞桿直徑110 mm，h=667 mm，則 V=6．3 L。

4)活塞直徑55 mm，活塞桿直徑32 mm，h=1 350 mm，V=1．1 L。

上述油缸引起的容積變化為:(0．63×6+3．9+6．3+1．1)L=15．1 L，由此可以看出在正常使用時(shí)液面變化不大。故油箱容積滿(mǎn)足使用要求。

2．3 油箱容量計(jì)算結(jié)果分析

綜上所述，從油箱儲(chǔ)油量與油箱使用2方面論述可得出:現(xiàn)有輪式臺(tái)車(chē)上的液壓油箱容量能夠滿(mǎn)足使用要求。

3 熱平衡計(jì)算

液壓鑿巖臺(tái)車(chē)的工作液壓系統(tǒng)主要包括動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件及輔助元件，將各個(gè)部分組合到一起才能構(gòu)成完整的液壓系統(tǒng)。冷卻器屬于液壓系統(tǒng)的輔助元件，其合理選用對(duì)于系統(tǒng)的集成改造至關(guān)重要。此次液壓鑿巖臺(tái)車(chē)選用的冷卻器是3臺(tái)GLC 3-4列管式油冷卻器，冷卻面積4 m2，公稱(chēng)壓力1．6 MPa，工作溫度≤100℃。該冷卻器為門(mén)架式臺(tái)車(chē)所用，現(xiàn)用于改造后的輪式臺(tái)車(chē)，需要驗(yàn)證其系統(tǒng)匹配性。

3．1 系統(tǒng)發(fā)熱功率

根據(jù)液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率

得:H=45×103×3×(1-0．9×0．95×0．6)=66 kW。

式中:H為系統(tǒng)發(fā)熱功率，kW;Np為輸入總功率，W;np為泵的效率，取0．9;nc為液壓回路效率，取0．95;nm為執(zhí)行元件效率，鑿巖機(jī)為0．6。

3．2 油箱本身散熱功率

HS305T液壓系統(tǒng)油箱散熱面積為4．3 m2，根據(jù)油箱散熱公式

得:H0=9×10-3×4．3×(55-35)=0．774 kW。

式中:H0為散熱功率，kW;K為油箱散熱系數(shù)，取9×10-3kW/(m2·℃);A為油箱散熱面積，取4．3 m2;t1為系統(tǒng)中溫度，取55℃;t2為環(huán)境溫度，取35℃。

因臺(tái)車(chē)油箱本身散熱功率很小，故不考慮其散熱影響。

3．3 水冷卻器散熱功率

得:H=9．5×1 000×4 186．8×5=198 873 000 J/h=55．24 kW。

式中:Qa為冷卻水量，m3/h;ρk為水密度，1 000 kg/m3;Cp為水比熱容，4 186．8 J/(kg·K);Δt為進(jìn)出水溫差，為5℃。

計(jì)算得知，系統(tǒng)發(fā)熱功率為66 kW，水冷卻器散熱功率為55．24 kW，則原設(shè)計(jì)中冷卻水的流量不能滿(mǎn)足要求，若要滿(mǎn)足式(3)計(jì)算得出的66 kW的系統(tǒng)發(fā)熱功率，需要增加水泵排量。根據(jù)總發(fā)熱功率要求，由式(5)可得:

則需要冷卻水泵流量至少為11．5 m3/h。臺(tái)車(chē)改造實(shí)際使用的增壓水泵額定流量為17．5 m3/h，完全滿(mǎn)足使用要求。

3．4 冷卻器所需散熱面積

取冷卻器進(jìn)油溫度t1為75℃，出口t2為55℃，進(jìn)水溫度t3為25℃，出水溫度t4為30℃。根據(jù)

得:A=66 000/(300 ×37．5)=5．9 m2。

式中:Δτ=［(t1+t2)-(t3+t4)］/2;k為散熱系數(shù)，取300 W/(m2·℃)(數(shù)據(jù)來(lái)源于姜堰凱瑞機(jī)械制造廠(chǎng)生產(chǎn)的同等類(lèi)型的冷卻器散熱系數(shù))。

實(shí)際冷卻器的散熱面積為:4 m2×3=12 m2，故冷卻器的散熱面積完全滿(mǎn)足散熱需求。

4 結(jié)論與體會(huì)

液壓鑿巖臺(tái)車(chē)改造后按照科研項(xiàng)目流程進(jìn)行了嚴(yán)格的工廠(chǎng)與工業(yè)試驗(yàn)，組裝后的設(shè)備如圖3所示。

圖3 組裝后效果圖Fig．3 Reformed rock-drilling jumbo

試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)在三臂同時(shí)工作時(shí)，液壓油位于油位計(jì)的中位;在工作停止，大臂回收時(shí)，液壓油不超過(guò)液壓油箱的高位。試驗(yàn)證明經(jīng)改造后的油箱容量可滿(mǎn)足使用要求。

2)鉆孔工作時(shí)其液壓油溫度未超過(guò)75℃，證明其冷卻性能良好，可滿(mǎn)足使用要求。

改造后油箱成功應(yīng)用表明，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或改造時(shí)，應(yīng)對(duì)其適用性進(jìn)行充分論證，做好充足的前期準(zhǔn)備工作，得到詳實(shí)的計(jì)算數(shù)據(jù)，才能為后續(xù)工作打下良好的基礎(chǔ)，做到理論為實(shí)踐服務(wù)。

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