矿井提升机液压刹车系统的热平衡设计

1、.PAGE 1矿井提升机液压刹车系统的热平衡设计摘要矿井提升机的液压刹车系统由液压站和盘形制动器组成，可以根据需要提供不同的制动力。通常，液压系统的最正确工作温度为2060，由于刹车频繁，系统工作条件恶劣，液压油温度在不同的季节有较大的变化，必须进展热平衡设计，防止温度过高或过低的液压油损害液压元件，影响设备的平安性。本文分析系统热量产生的原因，针对原因提出处理措施，在自然散热或系统自热无法满足热平衡要求时，计算热量的产生与散失，确定强制加热和冷却功率，选择合理加热器与冷却方式，并采用温度反响保证液压油的工作温度。关键词加热；冷却；热平衡；液压；提升机Heat balance design o

2、n hydraulic brake systemof mine hoistAbstractThe hydraulic brake system of mine hoist isThe keyword Heat balance; Heater; cooler;hydraulic brake system; mine hoist.1目 录TOC o 1-2 h z uHYPERLINK l _Toc322425552矿井提升机液压刹车系统的热平衡设计 PAGEREF _Toc322425552 h IHYPERLINK l _Toc322425553Heat balance design on h

3、ydraulic brake system of mine hoist PAGEREF _Toc322425553 h IIHYPERLINK l _Toc322425554目录 PAGEREF _Toc322425554 h 1HYPERLINK l _Toc3224255550 引言 PAGEREF _Toc322425555 h 1HYPERLINK l _Toc3224255561刹车液压系统的组成与原理 PAGEREF _Toc322425556 h 2HYPERLINK l _Toc3224255571.1液压系统的作用 PAGEREF _Toc322425557 h 2HYPER

4、LINK l _Toc3224255581.2液压系统的组成 PAGEREF _Toc322425558 h 2HYPERLINK l _Toc3224255591.3液压系统的工作原理 PAGEREF _Toc322425559 h 4HYPERLINK l _Toc3224255601.4工作介质的选择 PAGEREF _Toc322425560 h 6HYPERLINK l _Toc3224255612.液压系统热失衡的原因与危害 PAGEREF _Toc322425561 h 7HYPERLINK l _Toc3224255622.1热失衡的定义 PAGEREF _Toc3224255

5、62 h 7HYPERLINK l _Toc3224255632.2热失衡的危害 PAGEREF _Toc322425563 h 7HYPERLINK l _Toc3224255642.3热失衡的原因 PAGEREF _Toc322425564 h 8HYPERLINK l _Toc3224255652.4热平衡设计的必要性 PAGEREF _Toc322425565 h 10HYPERLINK l _Toc3224255663液压站热平衡校核与设计 PAGEREF _Toc322425566 h 11HYPERLINK l _Toc3224255673.1热平衡的概念 PAGEREF _To

6、c322425567 h 11HYPERLINK l _Toc3224255683.2系统自生热及计算PAGEREF _Toc322425568 h 11HYPERLINK l _Toc3224255693.3系统散失热及计算 PAGEREF _Toc322425569 h 13HYPERLINK l _Toc3224255704加热器与散热器 PAGEREF _Toc322425570 h 13HYPERLINK l _Toc3224255715温度闭环控制 PAGEREF _Toc322425571 h 13HYPERLINK l _Toc3224255726结论 PAGEREF _Toc

7、322425572 h 14HYPERLINK l _Toc322425573参考文献 PAGEREF _Toc322425573 h 16HYPERLINK l _Toc322425574致 PAGEREF _Toc322425574 h 17HYPERLINK l _Toc322425575附录 PAGEREF _Toc322425575 h 18.10 引 言矿井提升机是矿山企业提升的主要设备，担负了提升矿石、脉岩，下放土石、火工材料，升降人员和设备的任务。提升机的平安平稳运行不仅关系到生产的高效运转，还涉及到人员与设备的平安。而矿井提升机的制动液压站是矿井提升系统中重要的组成局部，它的

8、正常工作与否以及可靠性关系着提升系统的平安，它是同提升机的拖动类型、自动化程度的上下相配合。在直流拖动自动化程度较高的系统中，由于直流拖动系统调速性能好，制动器一般只是在提升终了时起定车作用，而在交流拖动系统中，制动器还要参与提升机的速度控制，因此，要求制动力能在较宽的围进展调节。提升机液压刹车系统由液压站和盘形制动器组成。液压站为盘形制动器提供可以调节的压力油，根据提升机在运转、调速、停车等不同工况下的减速需要而提供不同的制动力，还可以在意外事故状态下，实现紧急制动保护人员和提升设备的平安。但是液压制动系统在设计时没有考虑到北方地区寒暑温差大以及矿山高产年时设备负荷大等原因造成的油温过高或过

9、低，形成液压系统热失衡。热失衡会降低工作效率、损坏液压元件，影响设备运行，必须对液压系统进展热平衡设计，使得温度维持在2060。1刹车液压系统的组成与原理1.1液压系统的作用在交流拖动的矿井提升系统中液压站的具体作用有：按实际提升操作的需要，产生不同的工作油压，调节控制盘形制动器的制动力矩，从而实现工作制动。平安制动时能迅速自动回油，并实现二级制动。根据多水平提升换水平的需要，以及钢丝绳伸长后调绳的需要，控制双筒提升机活卷简的调绳离合器，同时闸住活卷筒1.2液压系统的组成刹车液压系统有液压站和安装在提升机卷筒前后的两个常闭式盘形制动器组成。注：圆圈为制动器图1-1 盘形制动器液压站包括油箱、柱

10、塞变量泵、换向阀、比例溢流阀、压力传感器、滤芯等组成。盘形制动器有六个油缸，左右成对布置，油缸带动钳爪可以抓紧卷盘，实现制动。1进油滤芯 2交流电机 3柱塞变量泵 4 溢流阀 5滤芯 6压力表 7比例溢流阀8液控换向阀 9电磁换向阀 10电磁换向阀 11减压阀 12单向调速阀 13蓄能器14电磁换向阀 15电磁换向阀 16压力传感器 17滤芯 18、19截止阀 20压力表21 制动油缸图1-2 液压原理图1.3液压系统的工作原理参阅液压图1-2。液压站主要由油箱、泵装置和阀组组成的。为了提高液压系统的可靠性，液压站设计有两各油泵与两各电液比例调压装置，一套工作，一套备用。两油泵互为备用时，由液

11、动换向阀8自动换向。系统采用柱塞变量泵，由压力反响控制斜盘角度实现恒压泵工作油源，可以减小系统发热。系统主阀组上的元件主要采用引进德国力士乐技术生产的换向阀，使系统工作更加可靠。液压站出油口设有滤油器17。防止制动器油缸回油时将杂务带入系统。液压站可以为盘形制动器提供不同油压的压力油。油压的变化由电液比例溢流阀7来调节特性曲线见图1-2，系统正常工作时，电磁铁8-a、9-a、10-a通电，压力油经液动换向阀8，电磁阀9、10，滤油器17，球式截止阀18分别进入盘形制动器。司机可以通过调节电液比例溢流阀7的电压大小010V来实现油压的变化P0Pma*，从而到达调节制动力矩的目的，当电液比例溢流阀

12、7的比例电磁铁控制电压增加时，系统油压升高，压力油使制动器中的弹簧压缩，制动器开闸；当电液比例溢流阀7的比例电磁铁控制电压减少时，系统油压下降，被压缩的弹簧使活塞动作，制动器合闸。当电液比例溢流阀7的比例电磁铁控制电压减少至零时，这时系统的油压最低(此时的油压为残压P0，不超过0.5Mpa)，提升机处于完全制动状态。系统发生故障时，如全矿停电等，提升机必须实现紧急制动。此时电机、比例调压阀线圈、电磁铁9-a、10-a断电，卷筒后面的盘形制动器油缸组21-2压立刻降为零，卷筒前面的盘形制动器油缸组21-2压力降为溢流阀10调定的压力PI级值，即第一级制动油压值，保压到电控柜上时间继电器动作，电磁

13、铁14-a断电，15-a通电，油压降到零，前后油缸组都实现全制动。在延时过程中，蓄能器起稳压补油作用，调节单向节流截止阀的开口度可调节其补油量，使延时过程中PI级根本稳定在要求值。以上这个过程，使提升机在紧急制动时，获得了良好的二级制动性能，特性见图1-3，从图1-3上看：从A点即P2点降到B点，卷筒后面的盘形制动器处于制动状态，整个卷筒受到6070%的制动力矩，卷筒前面的盘行制动器的油压降到一级制动油压PI级从B点到C点延时t1秒后到达D点，此时提升机已停车，电磁换向阀14-a延时后断电，15-a延时后通电，油压从PI级降到零压即从D点到E点，完成了二级制动。此时，盘形制动器以三倍的静力矩将

14、卷筒结实地闸住，使其平安的停顿转动。表1-1 比例溢流阀特性曲线表1-2 二级压力制动特性曲线压力继电器16-1是在压力降低到P0时动作，向电气系统发送合闸的信号。压力继电器16-1是在压力升高到Pma*时动作，向电气系统发送松闸的信号。1.4工作介质的选择对液压系统所使用的液压油液来说，首先要考虑的是粘度。粘度太大，液流的压力损失大，大量的机械能转化为能，系统的机械效率降低；粘度太小，泄漏增大，会使系统的容积效率降低。因此，应选择使系统能正常、高效和可靠工作的油液粘度。对于工作环境恶劣的液压系统，我们希望液压油的粘度随温度的变化越小越好，即粘温特性好，粘度指数高的液压油；我们还希望液压油的粘

15、度随时间的变化越小越好，即剪切稳定性高。这样，油品可以在较宽的温度区间长时间维持最正确的粘度。但这是油品生产中的难点，其配方复杂，生产本钱高。通常，在液压系统中，液压泵的工作条件最为严峻。它不但压力大、转速和温度高，而且液压油液被泵吸入和被泵压出时要受到剪切作用，所以一般根据液压泵的要求来确定液压油液的粘度。泵的类型40 粘度(mm2/s)适用的液压油品种粘度等级540 4080 齿轮泵307095165HL油中高压适用HM油32、46、68、100、150叶片泵p 7MPa30504075HM液压油32、46、68叶片泵p7MPa 50705590HM液压油46、68、100轴向式柱塞泵40

16、70140HL油高压适用HM油32、46、68、100、150径向式柱塞泵305065240HL油高压适用HM油32、46、68、100、150540 ，4080 为系统正常工作时的温度，而非环境温度表1-1液压油的推荐使用粘度围注：表中数据源自参考文献1综合液压件厂家的推荐工作介质，本系统选取了HM-32抗磨液压油。2.液压系统热失衡的原因与危害2.1热失衡的定义液压刹车系统，经过生产使用发现，在夏季油温高于80，散热不好；在冬季油温常常低于-3，启动困难。液压系统在连续工作时油温超过允许的工作温度，我们称之为热失衡。热失衡包括油温过高和油温过低。2.2热失衡的危害油温过高和油温过低都会危害

17、液压系统的正常运行。1.液压系统油温高的危害1容积效率下降。液压油的粘度对温度的变化很敏感，温度升高，粘度降低。例如20号机械油，20时粘度为100mm2/s，50时为20mm2/s，70时只有9mm2/s。由于粘度下降,液压系统的內泄和/或外泄显著增加,液压系统的容积效率显著下降。2工作参数漂移。同时,低粘度的油液流过节流元件时,元件特性发生变化,造成压力、速度调节随温度的变化而漂移，影响系统的热稳定性。3阀芯膨胀，降低机械效率，加剧机械磨损，甚至影响动作的可靠性。换向阀或溢流阀的阀芯因过热而膨胀，缩小了相对运动零件的配合间隙，油膜变薄，液压油粘度的降低使得油膜承载能力变差，都会导致摩擦阻力

18、增加、加剧磨损，甚至造成阀芯卡死，影响可靠性降低元件寿命。3加速橡胶密封件和软管早期老化，缩短寿命，甚至丧失其密封件性能，使液压系统严重泄漏。4加速油品变质。过高的油温会加速液压油的氧化和裂解，使之失去原有的性能。5油液汽化，水分蒸发，容易使液压元件产生穴蚀；油液氧化形成胶状沉积物，易堵塞滤油器和液压阀的小孔，使液压系统不能正常工作2.油温过低的危害1液压油粘度大，流动性差，阻力大，工作效率低2油温过低也会影响密封性能，使密封出现硬化现象，同样会出现漏油现象！3油温过低主要是由于环境温度造成的，环境温度过低对同样对工程机械的电气元件同样会造成损坏！比方二极管、压力继电器的灵敏度也会降低。4其粘

19、度大，导致泵，马达等执行元件起动困难。泵还会有吸空现象。5油液的润滑性、抗泡性、过滤性、空气释放性都将下降，对系统都有一定的伤害。6润滑方面，油温过低，会使油的粘度增加，从而使油膜润滑摩擦力增大，轴承耗功率增加。此外，还会使油膜变厚，产生因油膜振动引起的机器振动。2.3热失衡的原因1.油温过高的原因与处理措施1污染导致阀芯处內泄随着机器工作时间的增加，油中易混入杂质和污物，受污染的液压油进入泵、马达和阀的配合间隙中，会划伤和破坏外表的精度和粗糙度，使泄漏增加、油温升高。措施液压站在设计时就采用了防污染设计，在油泵的进口和出口，油缸的进口都设计了滤芯，保证液压系统的可靠和正常工作。同时油箱采用隔

20、板将系统回油和泵吸油分隔成两个区域，有利于回油中的杂质和污物在油箱沉淀。液压站在运行时，要保持场地卫生，减少环境中的灰尘和赃物。其次，注意检查油品污染和劣化情况，检查过滤器是否堵塞。在更换新油时，新油首先经过过滤，防止油品在运输、保存过程中带入的杂物进入液压系统。换油要彻底清洁油箱，更换滤清器并完全放空油缸、管路中的液压油。按规定加足油量，使回到油箱的油液有足够的时间自然冷却。2油箱存油过少，油液循环快来不及散热假设液压油量太少，将使回到油箱的油液有足够的时间自然冷却就又进入液压系统，不能带走其产生的热量，导致油温高。预防措施：在设计时，考虑加大油箱的散热面积。在设备运转时，及时处理漏油点，严

21、格遵守操作规程中对液压油油位的规定。此系统的油量为700L，加油时油位必须在上下刻线之间。3滤油器堵塞磨粒、杂质和灰尘等通过滤油器时，会被吸附在滤油器的滤芯上，造成吸油阻力和能耗均增加，引起油温升高维护措施：以三个月为周期，更换滤清器。4液压系统中混入空气混入液压油中的空气，在低压区时会从油中逸出并形成气泡，当其运动到高压区时，这些气泡将被高压油压碎，受到急剧压缩而放出大量的热量，引起油温升高。预防措施：经常检查进油管接口等封处的密封性，防止空气进入；同时，每次换油后要排尽系统中的空气。5环境温度过高以2002年地区的月平均气温为例，全年7月份平均气温最高，为28.2数据源自统计局，最高温度超

22、过40数据源自网络，当环境温度过高时，系统油温与环境气温的温差减小，不利于散热。这种情况比较特殊，也是无法通过维护来防止的。6油品选择不当2.油温过低的原因与处理措施2.4热平衡设计的必要性一个好的液压系统在设计之初就要考虑热平衡，即系统在连续工作时温度能稳定在一定围，使得液压系统动作可靠，液压工作介质和元件到达设计寿命。对于工作条件恶劣的系统需进展热平衡校核，并采取加热和散热的措施。对于在北方野外工作的液压系统，既要考虑到夏季的散热，还要考虑到冬季的加热使之能稳定可靠地工作。3液压站热平衡校核与设计3.1热平衡的概念当环境温度稳定时，液压系统在连续工作一段时间后油液的温度能稳定在*一温度上，

23、此时液压能量的损耗产生的热量等于液压系统散失的热量，这一稳定状态成为热平衡。此时的温度成为热平衡温度。通常，对于确定的液压系统来说，热平衡温度与环境温度有很大关系，它随环境温度的上升而上升，随环境温度的下降而下降。当然有时会受到油液品质、內泄等故障的影响，系统产生的热量增多会导致温度升高，直到与环境的温差提高到能使得这局部热量散失掉。假设液压系统各个元件工作正常，我们希望热平衡温度在*一围，使得液压系统动作可靠，液压工作介质和元件到达设计寿命，我们称液压系统能到达热平衡。热平衡校核与设计的目的就是1验算热平衡温度是否在允许的工作温度围；2假设不能，计算出强制加热和冷却的功率。3.2系统自生热及

24、计算液压系统的自生热是工作介质流过带有节流孔、阀口、间隙、滤网的元件时，损耗的液压能大局部转化能，即产生热量。也有一局部热量来源于机械摩擦。还有极少一局部热量来源如工作介质压力变化时对混入油液中的空气做功生热。后两种热量来源极少。这些热量绝大局部被工作介质吸收，少局部被阀体吸收。在理论研究时，为了简化生热模型，我们都假定热量全部被油液吸收。在公式中采用实验系数来修正理论公式的误差，提高计算的准确度。1.油泵自生热量假设油泵的功率损耗转化为热量，则有发热功率 公式3-1式中为油泵出口压力，单位Pa为油泵的入口压力，单位Pa为油泵的额定流量，单位为油泵的效率，一般取值0.85为油泵的功率利用率，一

25、般取值0.70.8对于变量泵和非连续工作的定量泵应分不同的工况，按照其所占时间的比例，计算单位时间平均功率。2.溢流阀自生热量假设溢流阀的功率损耗转化为热量，则有发热功率 公式3-2式中为溢流阀出口压力，单位Pa为溢流阀的入口压力，单位Ma为溢流阀的额定流量，单位为溢流阀的效率，一般取值0.850.88为溢流阀的功率利用率，一般取值0.850.88在计算时区分系统中溢流阀的作用，对于起平安作用的溢流阀由于其工作时间非常短可以忽略；对于油泵旁限定系统压力的主溢流阀必须全部计算功率。对于间歇工作的溢流阀按照其工作/停机所占时间的比例，计算平均功率。3.其它阀自生热量假设阀的功率损耗全部转化为热量，

26、则有发热功率 公式3-3式中为溢流阀出口压力，单位Pa为溢流阀的入口压力，单位Pa为溢流阀的额定流量，单位为溢流阀的效率，一般取值0.850.884.管路及其它自生热管路、滤芯等也存在压力降低，其值较小，加上自身散热，常常可忽略。一般取全部能量的0.030.05倍，即式中表示液压系统的总功率5.系统自生热量系统自生热量的计算有两种方法方法一将液压系统中各个元件的自生热累加得到，公式为方法二液压系统的损耗功率为输入功率减去输出功率，即泵的输入功率减去油缸和马达的输出功率。这两种计算方法，方法一的结果会比实际偏小，因为它忽略了一局部热量。而方法二的结果会比实际偏大，因为在计算输出时会偏小且它假定了

27、全部损耗转化为热量。本文采用了第一种方法。3.3系统散失热及计算在液压系统中，不仅储存循环所需的液压油，还担负着杂质沉淀、气液别离以及散热的重要功能。现在的设计理念不经要求满足容积要求还要按照适宜的比例设计长宽高等外形尺寸，增加散热能力。液压系统在没有强制冷却的情况下，系统热量会由工作介质将热量带到油箱，并散失到环境中。其散失热功率与油箱外表积成正比，与介质和环境的温差成正比。计算公式为式中表示的散热系数，单位 当周围通风很差时当周围通风良好时用风扇冷却时用循环水强制冷却时代表的散热面积为中工作介质的温度为环境温度3.4热平衡温度的计算液压系统各个局部所产生的热量在开场时一局部由流动的工作介质

28、及本体所吸收，极少的一局部向周围辐射。当温度上升到一定值时，散热量与发热量平衡，系统到达热平衡状态，此时温度为：明显，当时，系统温度升高直到使得与环境的温差满足，温度稳定在，我们称之为热平衡温度。3.5提升机温度校核上述计算过程可以有MATLAB软件编写计算程序，将数据带入计算得到在冬天环境温度为时，平衡温度在夏天环境温度为时，平衡温度尽管冬天的平衡温度满足液压系统2060的要求但是还必须设计加热器，因为系统到达热平衡状态需要较长的时间。在夏天可以考虑设计风冷强制降温。4热交换器的选用热交换器包括加热器和冷却器，用于控制液压系统的温度，使其处于正常工作围，保证系统工作可靠。4.1加热功率的估算

29、加热器的功率可按下式估算式中为加热功率W为油箱的容积，取0.6为工作介质加热的温升为油液的比热容，对于矿物油取70008750T为加热时间，取1000为工作介质的密度为加热效率，一般取0.60.8计算并圆整的4.2加热器的种类及特点液压系统的温度低于10时，由于油液粘度高，不利于液压泵的吸油和启动，因此需要将油液加热到15以上，液压系统加热的方式有1油液流体阻力损失加热一般先启动一台液压泵，让其全部油液在高压下经过溢流阀流回到油箱，泵的驱动功率平安转化为热能，使油液升温2采用蛇形管蒸汽加热设置一独立的循环回路，油液经过蛇形管被蒸汽加热，此时应注意：高温介质的温度不得超过120被加热油液应有足够

30、流速，以免烧焦变质。3利用电阻加热器加热电加热器有定型的工业产品供设计人员选用，一般水平安装在油箱。电加热器由加热芯子和护套组成。加热芯子采用耐高温合金电热丝作为热源，耐高温交瓷作绝缘介质，护套采用冷拔无缝钢管或不锈钢制成。电加热器与油箱体采用法兰或螺纹连接。护套将加热芯子与被加热油液隔离，在更换电加热器时，不需要放掉油箱中的油液，仅需抽出加热器芯子，更换一个新的加热芯子即可，维护方便。电加热器与被加热油液接触面积大，外表功率小，不结碳，油液不会局部高温而碳化。使用寿命长、平安、可靠。加热器外端多有可调节温度的旋钮控制加热功率。在设计时，为了使得加热更均匀，一般根据加热功率选择多个加热器分散布置。加热器构造加热器布置方式在本文设计中采用4根1.5KW的加热器均匀分布在中。并适当调整功率旋钮，防止加热器局部温度过高造成油液变质。4.3加热温度控制由于系统能够依靠自身功率损失产生