液壓式軌枕螺栓扳手油溫過高的對策

1、液壓式軌枕螺栓扳手油溫過高的對策馮耀軍南寧鐵路局工務檢測所 廣西南寧530029摘要：液壓式軌枕螺栓扳手在連續(xù)使用時，油溫高是通病，木文主要分析油 溫升高的原因，提出解決的方法。關鍵詞：液壓；扳手；油溫高；原因；對策引言鐵路上的鋼軌和碗枕，通過軌枕螺栓聯(lián)接成穩(wěn)定的軌道結構，并達到相應的 技術標準后，才能安全開行列車。鐵路上每公里有6000-7000顆軌枕螺栓，一般松緊軌枕螺栓使用的設備有: 機械式的軌枕螺栓機動扳手和液壓式的軌枕螺栓機動扳手（以下簡稱液壓螺栓扳 手）。養(yǎng)護鐵路需要經(jīng)常松緊軌枕螺栓，可以說松緊軌枕螺栓作業(yè)是鐵路的主要 工作之一，既有線松緊軌枕螺栓需要在“封鎖天窗”內作業(yè)，要求設備

2、輕便可靠 （自重≤100kg）,人力可隨時把設備抬上或撤出線路，不影響行車。由于機械 式軌枕螺栓扳手相比液壓螺栓扳手存在扭矩小、扭矩離合器磨耗快（尤其扭矩達 到160nm以上時，磨耗特別快）等問題。因此機械式軌枕螺栓扳手的使用受到 了很大限制。液壓螺栓扳手采用全液壓傳動的工作方式，可以有效地解決機械式 軌枕螺栓扳手的不足，其原理（如圖1所示）：由汽油發(fā)動機驅動液壓泵輸出壓 力油，壓力油經(jīng)過換向閥輸送到液壓馬達，使液壓馬達正、反向轉動，帶動工作 套筒實現(xiàn)螺母擰緊、旋松動作。但是，目前在用的大部分液壓螺栓扳手都存在一 個比較突出的問題，當連續(xù)高強度工作時，液壓系統(tǒng)中的油溫很高（達80

3、°c以 上），設備因此無法正常工作。1液壓螺栓扳手油溫升高的原因及主要危害1丄液壓油溫度升高的原因液壓系統(tǒng)中的功率損失幾乎全部轉變?yōu)闊崃?，造成液壓油溫升高。目前大?分液壓螺栓扳手（包括國產(chǎn)的、進口的）都是采用液壓油箱殼體表面自然散熱, 為了保證設備輕便，油箱不能造得太大，普遍在15-30l之間。在斷斷續(xù)續(xù)的輕 度工作情況下，設備油溫升高不明顯，當高強度連續(xù)工作吋，液壓油的溫度明顯 升高，導致液壓系統(tǒng)無法正常工作。軌枕螺栓機動板手需要符合tb/t3099-2004 軌枕螺栓機動扳手通用技術條件才能上道作業(yè)，其第4.19條檢測要求：“調 節(jié)扳手的扭矩在最大公稱擰緊扭矩并鎖定，連續(xù)擰緊5

4、000顆螺母，每隔200顆 螺母抽檢一次，擰緊扭矩穩(wěn)定性能符合扭矩精度要求（機械式±10%,液 壓式±5%）。”。筆者了解多款液壓螺栓扳手（包括進口產(chǎn)品）送檢，但目 前沒有液壓螺栓扳手能通過此條款。通過了解試驗現(xiàn)場情況，普遍存在工作30 分鐘，連續(xù)擰緊1000多顆螺母后，液壓油溫度很高，液壓螺栓扳手工作轉速變 慢、無力。1.2液壓油溫度升高的主要危害一般工程機械液壓油溫度常控制在3060°c之間。此吋油液的黏度、潤滑 性和耐磨性均處于最佳狀態(tài)，系統(tǒng)傳遞效率最高。當油液溫度超過65°c吋，會 產(chǎn)生以下現(xiàn)象：油液黏度人人下降，不僅使?jié)?/p>

5、滑油膜變薄，摩擦力加大，磨損 加劇，而且密封圈膨脹、老化、失效，結果導致液壓系統(tǒng)產(chǎn)生泄漏。據(jù)研究表明， 油溫每升高10°c則密封件的壽命就會減半。油液溫度升高后，體積膨脹，壓 力升高，而泄漏隨壓力的升高而加人，從而使泄漏增加。油溫升高使間隙脹縮 變化。一般配合零件材質不同，材料熱膨脹系數(shù)不同，當油溫達到80°c以上時， 配合零件因脹縮變化不同，會使配合間隙發(fā)生變化，當間隙變大吋，造成泄漏增 加。當間隙變小吋，元件間可能會發(fā)生“卡死”現(xiàn)象，使之無法運動，還會引起 機器的熱變形，破壞原有的精度。目前，解決液壓系統(tǒng)油溫過高的技術，一般是利用油箱殼體表面散熱的方法, 分自然散熱和強

6、制散熱兩種。利用油箱殼體自然散熱，油箱體積往往偏人，容積 往往達到200l以上；而強制散熱，主要是利用散熱器增大油箱的表面積并且通 過冷卻介質把熱量帶走。2.利用油箱殼體表面自然散熱的分析假設液壓系統(tǒng)的能量損失全部都轉化為熱量，用于加熱工作液體，而工作液 體所吸收的熱量僅依靠油箱向周圍環(huán)境散發(fā)，這時液體溫度式中：t油液溫度（°c）to -環(huán)境溫度（°c ）k油箱傳熱系數(shù)（w/m2?°c）,取值：通風不良二89；通風良好二15；風扇 冷卻二23；循環(huán)水冷卻二110174。a-油箱散熱面積（m2）t運轉吋間（s）c-油比熱1675209引/ （kg?°c）m

7、油液質量（kg）h液壓系統(tǒng)單位時間發(fā)熱量（w）,由以下方法得出h二ρ油×v×c 油×at/tl式中：h發(fā)熱功率（kw）ρ油油的密度（常取0.85kg/l）v油的容積（l）c油液壓油的比熱容，常取2150j/ （kg?°c）一定時間內油的溫升（°c）tl 溫升時間（s）實際中，我們使用螺栓扳手連續(xù)擰緊螺栓（扭矩160nm）試驗，在10分鐘 內測得油溫從30°c±升至45°c,液壓油的容積為25刃乙發(fā)熱功率計算如下： h=0.85×25&

8、amp;times;2150× （45-30） / （10×60） =1142wy當t→∞吋，油箱中的溫度達到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)熱平衡公式此時油溫度為最高溫度，所需油箱的最小散熱面積油箱一般為長方形箱體，其長、寬、高之比約在1： 1： 1至1： 2： 3之間, 油面高度達油箱高度80%時，油箱散熱面積與油箱體枳的關系可用下列近似公式 計算:a≈6.66v2/3式中：v油箱的散熱體積(m3)如油的溫升(tmaxto)取40°c,油箱傳熱系數(shù)取良好散熱吋k=15,可確定油箱散熱的最小體積 vmi

9、n≈h/ (tmax-t0) 3/2×10-3= (1142/40) 3/2×10-3=0.153 (m3) =153l由此可見，液壓螺栓扳手連續(xù)工作，只利用油箱殼體表面自然散熱吋，若要 保證其溫升(比環(huán)境溫度升高的溫度)在40°c內，必須使用153升以上的液壓 油箱才能實現(xiàn)。油箱和存油的重量達160kg以上，加上動力、油泵、馬達、套筒、 油管、控制閥等，整機超200kg以上，人力很難隨時把設備抬上或及口寸撤出線路， 影響到鐵路行車安全，故不適合鐵路移動作業(yè)。3 利用油箱強制散熱的分析通過以上分析，我們看到要減小油箱的體積，

10、可以從加人油箱的有效散熱面 積和提高油箱傳熱系數(shù)著手。3.1翅片管散熱器有效散熱面積的計算采用鋼鋁復合翅片管散熱器可以使油箱做到在較小體積的基礎上加大有效 的散熱面積。以基管直徑25mm,翅片外徑50mm,片距2.5mm,片厚0.35mm, 包覆層厚0.5mm為例，計算lm翅片管的有效散熱面積如下：3.1.1基管表面積=0.07m23.1.2翅片正反面面積二(大圓面積小圓面積)×2=1.1455 m23.1.3翅片頂端面積=0.022 m2以上三部分有效散熱面積合計=1.2375 m2o3.2冷卻風扇理論風量的計算鋼鋁復合翅片管散熱器由于翅片比較密集，自然空氣流通不好，應考

11、慮使用 風扇或流水加快熱交換，液壓螺栓扳手屬移動設備，需要考慮輕便及成本，故選 擇使用風扇冷卻，理論上需要風量如下：h=qa×ρk× c p ×δt式中：h-液壓系統(tǒng)單位吋間發(fā)熱量(j/h)qa 風扇風量(m3/h)ρk-空氣密度(取ρ k = 1.29kg/m3)c p 空氣比熱容(取c p =1008j/kg?°c)δ t 進出風溫差(取δ t = 1 0 °c)理論上需要風量 q a =1142&

12、;times;3600/ (1.29×1008×10) =316.2 (m3/h)o3.3使用翅片管散熱器結合冷卻風扇的分析我們選用2m長翅片管有效散熱面積為2.475 m2的鋼鋁復合翅片管液壓油 箱散熱器，考慮在液壓螺栓扳手上單獨設計增加排風扇很困難(不但增加自重, 而且增加成本)，經(jīng)反復研究試驗，最終取以下方案：綜合利用空冷汽油機冷卻 風扇，并與散熱器進行獨特的聯(lián)結，使之吸走油箱散熱器的熱量(如圖2所示)。根據(jù)考慮翅片接觸熱阻修正系數(shù)在0.70.88之間，取值0.8k值二15 (由于發(fā)動機冷卻風量約為80m3/h,達不到316 m3/h理論風量的 要求，此值經(jīng)試驗計算得出)則液壓油溫升為:tmax-t0=1142/ (2.475×15×0.8) =38.4 (°c)由于系統(tǒng)散熱主要由散熱器散發(fā)，液壓油箱容積可以只考慮液壓元件及系統(tǒng) 管路需要，故油箱可以做得比較小巧，實際中我們采用油箱總容積v=9 (l)。并 按此設計制造了樣機，經(jīng)過長吋間工作試驗在10°c25°c的環(huán)境溫度下，液壓 油的溫升不超過37°c,符合液壓設計的有關規(guī)范要求。4 結論液壓式軌枕螺栓扳手采用翅片管散熱器與空冷汽油機聯(lián)接的設計方案，通過 汽