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(wù)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(shí)，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(guān)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(jié)構(gòu)，并達(dá)到相應(yīng)的 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備有: 機(jī)械式的軌枕螺栓機(jī)動扳手和液壓式的軌枕螺栓機(jī)動扳手（以下簡稱液壓螺栓扳 手）。養(yǎng)護(hù)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(nèi)作業(yè)，要求設(shè)備

2、輕便可靠 （自重≤100kg）,人力可隨時(shí)把設(shè)備抬上或撤出線路，不影響行車。由于機(jī)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(dá) 到160nm以上時(shí)，磨耗特別快）等問題。因此機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)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(dá)，使液壓馬達(dá)正、反向轉(zhuǎn)動，帶動工作 套筒實(shí)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(gè)比較突出的問題，當(dāng)連續(xù)高強(qiáng)度工作時(shí)，液壓系統(tǒng)中的油溫很高（達(dá)80

3、°c以 上），設(shè)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(zhuǎn)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(jìn)口的）都是采用液壓油箱殼體表面自然散熱, 為了保證設(shè)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(shè)備油溫升高不明顯，當(dāng)高強(qiáng)度連續(xù)工作吋，液壓油的溫度明顯 升高，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法正常工作。軌枕螺栓機(jī)動板手需要符合tb/t3099-2004 軌枕螺栓機(jī)動扳手通用技術(shù)條件才能上道作業(yè)，其第4.19條檢測要求：“調(diào) 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(jī)械式±10%,液 壓式±5%）?！?。筆者了解多款液壓螺栓扳手（包括進(jìn)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(yàn)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(zhuǎn)速變 慢、無力。1.2液壓油溫度升高的主要危害一般工程機(jī)械液壓油溫度?？刂圃?060°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(dāng)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(jié)果導(dǎo)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(zhì)不同，材料熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)油溫達(dá)到80°c以上時(shí)， 配合零件因脹縮變化不同，會使配合間隙發(fā)生變化，當(dāng)間隙變大吋，造成泄漏增 加。當(dāng)間隙變小吋，元件間可能會發(fā)生“卡死”現(xiàn)象，使之無法運(yùn)動，還會引起 機(jī)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(shù)，一般是利用油箱殼體表面散熱的方法, 分自然散熱和強(qiáng)

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(dá)到200l以上；而強(qiáng)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(zhì)把熱量帶走。2.利用油箱殼體表面自然散熱的分析假設(shè)液壓系統(tǒng)的能量損失全部都轉(zhuǎn)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(shí)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(fēng)不良二89；通風(fēng)良好二15；風(fēng)扇 冷卻二23；循環(huán)水冷卻二110174。a-油箱散熱面積（m2）t運(yùn)轉(zhuǎn)吋間（s）c-油比熱1675209引/ （kg?°c）m

7、油液質(zhì)量（kg）h液壓系統(tǒng)單位時(shí)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(shí)間內(nèi)油的溫升（°c）tl 溫升時(shí)間（s）實(shí)際中，我們使用螺栓扳手連續(xù)擰緊螺栓（扭矩160nm）試驗(yàn)，在10分鐘 內(nèi)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(jì)算如下： h=0.85×25&

8、amp;times;2150× （45-30） / （10×60） =1142wy當(dāng)t→∞吋，油箱中的溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)熱平衡公式此時(shí)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(dá)油箱高度80%時(shí)，油箱散熱面積與油箱體枳的關(guān)系可用下列近似公式 計(jì)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(nèi)，必須使用153升以上的液壓 油箱才能實(shí)現(xiàn)。油箱和存油的重量達(dá)160kg以上，加上動力、油泵、馬達(dá)、套筒、 油管、控制閥等，整機(jī)超200kg以上，人力很難隨時(shí)把設(shè)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(qiáng)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(jì)算采用鋼鋁復(fù)合翅片管散熱器可以使油箱做到在較小體積的基礎(chǔ)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(jì)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(jì)=1.2375 m2o3.2冷卻風(fēng)扇理論風(fēng)量的計(jì)算鋼鋁復(fù)合翅片管散熱器由于翅片比較密集，自然空氣流通不好，應(yīng)考

11、慮使用 風(fēng)扇或流水加快熱交換，液壓螺栓扳手屬移動設(shè)備，需要考慮輕便及成本，故選 擇使用風(fēng)扇冷卻，理論上需要風(fēng)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(fēng)扇風(fēng)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(jìn)出風(fēng)溫差(取δ t = 1 0 °c)理論上需要風(fēng)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(jié)合冷卻風(fēng)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(fù)合翅片管液壓油 箱散熱器，考慮在液壓螺栓扳手上單獨(dú)設(shè)計(jì)增加排風(fēng)扇很困難(不但增加自重, 而且增加成本)，經(jīng)反復(fù)研究試驗(yàn)，最終取以下方案：綜合利用空冷汽油機(jī)冷卻 風(fēng)扇，并與散熱器進(jìn)行獨(dú)特的聯(lián)結(jié)，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(jī)冷卻風(fēng)量約為80m3/h,達(dá)不到316 m3/h理論風(fēng)量的 要求，此值經(jīng)試驗(yàn)計(jì)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(shí)際中我們采用油箱總?cè)莘ev=9 (l)。并 按此設(shè)計(jì)制造了樣機(jī)，經(jīng)過長吋間工作試驗(yàn)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(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)范要求。4 結(jié)論液壓式軌枕螺栓扳手采用翅片管散熱器與空冷汽油機(jī)聯(lián)接的設(shè)計(jì)方案，通過 汽