Thiết kế một hệ thống thủy lực cho dịch vụ nhiệt độ cao không đơn giản chỉ là lắp đặt một bộ làm mát dầu lớn hơn hoặc thay thế các gioăng tiêu chuẩn bằng các vật liệu chịu nhiệt. Một hệ thống vẫn có thể quá nhiệt nếu nó lãng phí năng lượng qua các van xả, van điều chỉnh, các đường ống hạn chế hoặc các thành phần bị mòn.
Mục tiêu là đạt được một cân bằng nhiệt ổn định dưới chu trình vận hành thực tế. Nhiệt sinh ra bởi bơm, van, ống, bộ truyền động và rò rĩ nội bộ phải bằng hoặc thấp hơn nhiệt thải ra qua bể chứa, bộ làm mát, ống dẫn và không khí xung quanh. Dầu cũng phải duy trì trong một khoảng độ nhớt cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả.
Do đó, những yếu tố này nên được thiết kế như một hệ thống nhiệt.
Bắt đầu với Chu trình Vận hành Thực tế
Bước đầu tiên là xác định “nhiệt độ cao” có nghĩa là gì đối với máy móc. Nhiệt độ môi trường, nhiệt độ dầu trong bể chứa, và nhiệt độ của các thành phần địa phương không giống nhau.
Một đơn vị điện hoạt động ngoài trời ở 40°C có thể trải nghiệm nhiệt độ cao hơn nhiều bên trong một vỏ đóng kín hoặc bên cạnh một động cơ hoặc ống xả. Các ống và van từ xa gần nguồn nhiệt địa phương cũng có thể hoạt động cao hơn nhiệt độ của bể chứa.
Chu trình vận hành hoàn chỉnh quan trọng hơn chỉ áp suất và lưu lượng tối đa. Một hệ thống áp suất thấp liên tục điều chỉnh một khối lượng lớn dầu có thể sinh ra nhiều nhiệt hơn một hệ thống đạt được áp suất cao chỉ trong vài giây.
Trước khi bắt đầu thiết kế, xác nhận khoảng nhiệt độ môi trường, nhiệt độ dầu dự kiến, thời gian chạy liên tục, thời gian giữ áp suất, lưu lượng trung bình và tối đa, tần suất chu trình, thời gian rảnh, nguồn nhiệt bên ngoài, và thông gió hoặc nước làm mát có sẵn.
Xác định và Giảm thiểu Các Nguồn Nhiệt Chính
Nhiệt thủy lực chủ yếu là năng lượng đầu vào không được chuyển đổi thành công việc cơ học hữu ích. Trong quá trình thiết kế sơ bộ, tải nhiệt có thể được ước tính bằng cách so sánh công suất đầu vào của bơm với công suất hữu ích được cung cấp bởi các bộ truyền động. Sự khác biệt được giải phóng qua các tổn thất áp suất, rò rỉ, ma sát, và sự khuấy động của chất lỏng.
Trên một máy hiện có, việc đo áp suất và nhiệt độ có thể giúp xác định vị trí các tổn thất. Sự giảm áp suất lớn qua một van, bộ lọc, bộ làm mát, ống dẫn, hoặc đầu nối nhanh cho thấy sự mất mát năng lượng liên tục. Một ống xả bơm nóng hoặc nhánh trả về có thể cho thấy hiệu suất giảm, van điều chỉnh, hoặc lưu lượng xả.
Lưu lượng van xả liên tục là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây quá nhiệt. Khi một bơm có độ dịch chuyển cố định tiếp tục cung cấp lưu lượng tối đa sau khi bộ truyền động đã dừng, hoặc khi đầu ra của bơm vượt quá nhu cầu của máy móc, lượng dầu thừa sẽ trở lại bể qua một sự giảm áp suất. Hầu hết tất cả năng lượng chưa sử dụng đó sẽ trở thành nhiệt.
Đối với nhu cầu thay đổi, một bơm có độ dịch chuyển thay đổi, được bù áp, hoặc cảm ứng tải có thể giảm lưu lượng không cần thiết. Trong một hệ thống có độ dịch chuyển cố định, một mạch xả có thể giữ bơm ở áp suất thấp trong thời gian rảnh.
Duy trì tải bằng cách chạy bơm liên tục ở áp suất cao cũng không hiệu quả. Tùy thuộc vào ứng dụng, tải có thể được giữ bằng một van kiểm tra, van cân bằng, bộ tích trữ, mạch giữ lưu lượng thấp, hoặc khóa cơ học.
Các tổn thất này nên được giảm thiểu trước khi chọn bộ làm mát. Nếu không, hệ thống làm mát có thể được định kích thước để loại bỏ nhiệt mà một mạch tốt hơn có thể đã ngăn chặn.
Thiết kế Hệ thống Ống và Bể chứa như là Các Thành phần Nhiệt
Đường kính ống nên được chọn từ lưu lượng thực tế, tốc độ dầu chấp nhận được và tổn thất áp suất cho phép chứ không chỉ dựa vào kích thước cổng của thành phần. Các đường hút nên ngắn, thẳng và đủ lớn để bảo vệ bơm khỏi sự hạn chế đầu vào. Các đường áp suất và hồi lưu nên được kiểm tra ở lưu lượng tối đa, bao gồm cả đỉnh tạm thời do tỷ lệ diện tích xilanh hoặc xả bình.
Điện trở của đường hồi lưu thường bị đánh giá thấp. Nếu dầu đi qua một ống nhỏ, khớp hạn chế, bộ lọc, bộ làm mát và vài khúc ngoặt liên tiếp, bơm phải tạo ra áp suất bổ sung chỉ để trả dầu về bể. Mất áp suất đó trở thành nhiệt và có thể làm tăng áp suất ngược tại các xilanh, động cơ và van xả.
Bể chứa hỗ trợ việc giải phóng nhiệt và tách không khí cũng như lưu trữ dầu. Để vận hành liên tục ở nhiệt độ cao, nó cần có dung tích hiệu quả đủ, luồng không khí tốt, tốc độ hồi lưu được kiểm soát và khoảng mức hoạt động rõ ràng.
Các kết nối hồi và hút nên được tách biệt bằng một tấm chắn để dầu nóng có bọt không quay trở lại bơm trực tiếp. Bể chứa cũng nên được đặt xa khỏi động cơ, hệ thống xả, lò sưởi và các nguồn nhiệt khác khi có thể.
Chọn Bộ làm mát từ Nhu cầu Thải nhiệt
Một bộ làm mát nên được chọn theo lượng nhiệt còn lại sau khi các tổn thất mạch không thể tránh được đã được giảm thiểu. Dòng chảy bơm và kích thước cổng không tự định nghĩa công suất làm mát.
Lượng nhiệt cần thải ra phụ thuộc vào tải nhiệt, nhiệt độ dầu mục tiêu, nhiệt độ môi trường tối đa, chu kỳ làm việc, dòng chảy dầu qua bộ làm mát và phương tiện làm mát có sẵn. Cần có một biên độ thực tế cho sự bẩn thỉu, nhiệt độ cao mùa hè, chu kỳ tăng, và sự suy giảm hiệu suất dần dần.
Bộ làm mát bằng không khí rất phổ biến trên thiết bị di động và hệ thống không có nguồn nước đáng tin cậy. Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ không khí vào, lưu lượng quạt, độ sạch của cánh tản nhiệt và vị trí lắp đặt. Không khí xả nóng phải rời khỏi vỏ bọc thay vì tuần hoàn trở lại qua bộ làm mát.
Bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng nước thường phù hợp cho các hệ thống tĩnh, làm việc liên tục với tải nhiệt cao hơn. Nhiệt độ nước làm mát, dòng chảy, chất lượng nước, sự đóng cặn và khả năng bảo trì cũng phải được xem xét.
Mạch làm mát phải được kiểm tra về độ nhớt khởi động lạnh, xếp hạng áp suất, bảo vệ đường vòng, điều khiển quạt hoặc van nước, và tổn thất áp suất ở lưu lượng tối đa. Một bộ làm mát quá cỡ không thể điều chỉnh dòng chảy giải phóng liên tục, bất kỳ việc hạn chế nào hoặc rò rỉ nội bộ nghiêm trọng.
Phù hợp Chất lỏng và Các Thành phần với Nhiệt độ Liên tục
Dầu thủy lực phải duy trì độ nhớt phù hợp từ nhiệt độ khởi động thấp nhất đến nhiệt độ hoạt động ổn định cao nhất. Dầu quá nhớt làm tăng điện trở hút và tổn thất áp suất. Dầu trở nên quá lỏng làm tăng độ rò rỉ nội bộ và làm yếu việc bôi trơn ở các bơm, van, xilanh và động cơ.
Việc chọn dầu nên xem xét độ nhớt, chỉ số độ nhớt, độ ổn định oxy hóa, tách không khí, kháng bọt, khả năng tách nước và sự tương thích với gioăng. Dầu nhiệt độ cao có thể cải thiện khả năng giữ lại độ nhớt và tuổi thọ dịch vụ, nhưng không thể bù đắp cho một mạch không hiệu quả hoặc làm mát không đủ.
Gioăng, ống, bình tích, cuộn điện từ, cảm biến, đầu nối và mô-đun điện tử nên được chọn sử dụng các xếp hạng nhiệt độ liên tục thay vì các giá trị đỉnh ngắn hạn. Tính tương thích của chất lỏng, tốc độ di chuyển, dao động áp suất và nhiệt tỏa phải được xem xét.
Khi các thành phần không thể được di chuyển, các tấm chắn nhiệt địa phương, ống cách nhiệt, thông gió cải thiện hoặc việc cải tiến định tuyến ống có thể hiệu quả hơn so với việc chỉ định các thành phần nhiệt độ cao hơn trên toàn bộ hệ thống.
Tích hợp Sạch sẽ, Giám sát và Bảo vệ
Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ oxy hóa dầu và sự hao mòn liên quan đến ô nhiễm. Bộ lọc nên được định kích thước cho dòng chảy dầu nóng thực tế và được chọn theo yêu cầu về độ sạch của thành phần nhạy cảm nhất. Các bộ lọc quá nhỏ có thể tạo ra sự giảm áp suất quá mức trong khi khởi động lạnh hoặc lưu lượng hồi lưu đỉnh.
Thiết kế cũng nên bao gồm một bộ làm mát bể chứa phù hợp, việc đổ dầu đã được lọc, kiểm soát nước và ngưng tụ, các điểm thoát và làm sạch, cổng lấy mẫu dầu và các chỉ báo áp suất chênh lệch.
Việc theo dõi nhiệt độ nên được bao gồm ngay từ đầu. Bể chứa là điểm tham chiếu bình thường, nhưng các phép đo tại đầu vào và đầu ra của bộ làm mát, xả vỏ bơm, đường hồi chính, hoặc ngăn máy phát điện được bao bọc có thể cung cấp thông tin chẩn đoán tốt hơn.
Hệ thống điều khiển nên hoạt động trước khi dầu đạt đến nhiệt độ tối đa cho phép. Nó có thể khởi động quạt, mở dòng chảy nước làm mát, phát âm thanh báo động, giảm tần suất chu kỳ, hạn chế chuyển động tải cao, hoặc dừng hệ thống. Cài đặt báo động và dừng nên phản ánh các giới hạn thực tế của dầu và các thành phần đã lắp đặt.
Xác minh Thiết kế Dưới Chu trình Công việc Thực tế
Một thiết kế nhiệt độ cao không hoàn thiện cho đến khi nó được kiểm tra dưới các điều kiện gần thực tế.
Hệ thống nên hoạt động qua áp suất, lưu lượng, tốc độ, thời gian giữ và tần suất chu kỳ bình thường trong khi nhiệt độ được ghi lại ở các khoảng thời gian xác định. Kết quả chính là liệu nhiệt độ dầu có ổn định hay không. Nhiệt độ tiếp tục tăng sau vài giờ cho thấy rằng sự phát sinh nhiệt vẫn vượt quá sự thải nhiệt.
Trong quá trình thử nghiệm, ghi lại dòng điện động cơ, áp suất hệ thống, tốc độ bộ truyền động, nhiệt độ đầu vào và đầu ra của bộ làm mát, nhiệt độ nước thải bơm, áp suất hồi lưu và những thay đổi về rò rỉ hoặc độ ổn định điều khiển. Hoạt động của quạt làm mát, báo động, logic giảm tải và bảo vệ ngừng hoạt động cần được xác minh.
Sau khi hệ thống nguội, kiểm tra lại mức dầu, bộ lọc, ống, đầu nối và sự rò rỉ bên ngoài. So sánh hiệu suất nóng và lạnh có thể tiết lộ rò rỉ liên quan đến độ nhớt, sự giãn nở nhiệt và các trở ngại có thể không xuất hiện trong các thử nghiệm lắp đặt ngắn hạn.
Thông tin Cần thiết Trước Thiết kế Cuối cùng
Một đề xuất hoàn chỉnh nên dựa trên khoảng nhiệt độ môi trường, yêu cầu áp suất và lưu lượng, tải và tốc độ của bộ truyền động, trình tự di chuyển, tần suất chu kỳ, thời gian hoạt động liên tục, yêu cầu giữ lại, loại chất lỏng, không gian lắp đặt, nguồn nhiệt bên ngoài, thông gió, sự tiếp xúc với ô nhiễm, và điều kiện làm mát sẵn có.
Việc cung cấp chu kỳ làm việc đầy đủ hữu ích hơn so với việc chỉ cung cấp áp suất tối đa, lưu lượng bơm và công suất động cơ. Độ tin cậy ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào cách mà máy sử dụng năng lượng thủy lực theo thời gian.
Kết luận
Thiết kế hệ thống thủy lực đáng tin cậy ở nhiệt độ cao bắt đầu từ hiệu quả năng lượng và cân bằng nhiệt. Nhà thiết kế phải hiểu chu kỳ hoạt động thực tế, giảm thiểu tổn thất áp suất và lưu lượng không cần thiết, và sau đó xác định kích thước của bể chứa và bộ làm mát cho tải nhiệt còn lại.
Bơm, van, bộ chia, ống, bộ lọc, bể chứa, bộ làm mát, dầu, gioăng, ống, cảm biến, và hệ thống điều khiển cần được đánh giá cùng nhau. Khi hệ thống hoàn chỉnh được thử nghiệm dưới chu kỳ làm việc thực tế và nhiệt độ dầu đạt đến mức ổn định với khoảng dự phòng đủ, khả năng duy trì áp suất, tốc độ, hiệu suất và tuổi thọ dịch vụ trong mùa hè và các điều kiện nhiệt độ cao khác sẽ cao hơn nhiều.