为什么您的液压设备可能需要一个油冷却器-而且是一个大的！

原文：Brendan Casey

编辑：腾益登

人们对液压油的污染给予了很多关注，通常被视为污染物、水和空气。但热量对液压油也非常有害，并且可能导致与“常规”污染一样多的部件故障。

关于液压设备的一个难以忽视的事实是它们是发热系统。它们在这方面并不是独一无二的：100% 效率的能量转换和控制仍然难以实现。但我的观点是，不可避免的低效率（表现为液压油的能量污染）并没有引起应有的关注。

除油箱外，液压系统中的每个部件都是发热装置。液压油通过管路或其它形式从 A 移动到 B 的过程会导致压降，从而产生热量。安装过滤精度过高的过滤器来控制颗粒污染也会产生压降，从而增加热负荷。泵和马达内部泄漏，导致产生更多热量的压降。静液压传动装置上的补油泵处于 100% 热负载。在开式回路中，安装会产生发热的阻尼孔、节流阀（各种形式）和液压调节器来控制方向、流量和压力–通过安装液压阻抗来平衡负载。

浪费能量的压降是液压系统不可避免的特征

关键是，能源浪费——压力下降是液压系统中不可避免的事实。它们可以（而且应该）最小化，但不能完全消除。所以我们不要再忽视房间里的大象了。因为如果不加以控制，能源污染与颗粒污染一样存在问题，而且可以说更严重。

能源污染影响润滑

液压元件的充分润滑和高效的动力传输都取决于适当的油粘度。如果允许液压油温度超过将粘度维持在 20 cSt左右所需的温度，则边界润滑（导致摩擦和磨损）的可能性会急剧增加。

达到该点的温度取决于流体的粘度等级及其粘度指数 (VI)。VI 是衡量油品抵抗粘度随温度变化而变化的能力的指标。VI 高的油通常称为多级油。多级油通常指定用于必须在寒冷条件下运行的设备。高 VI 有助于防止油的粘度在低温下增加（稠化）。然而，高 VI 也有助于防止其粘度在高温下降低（稀化）。

换句话说，就粘度而言，临界温度可以相对较低或较高，具体取决于所使用的油。此外，最高工作温度越高，温度工作窗口变得越宽。而且温度工作窗口越宽，将油粘度保持在允许的范围内就越困难。

例如，假设液压系统的冷启动温度为 5°C ，最高工作温度为 110°C。为了将冷启动时的粘度保持在 800 cSt 和最高工作温度下的 25 cSt 之间，需要使用粘度指数为 229 的 ISO VG 150 油。这不是一种您可以直接致电当地油品供应商并获取的液压油。常用的液压油的 ISO 粘度等级为 22、32、37、46、68 和 100。典型的单级液压油的 VI 约为100，多级液压油的 VI 约为150。因此，即使很容易获得，至少可以说，VI 为 229 的 VG 150 油将是一种高价产品。

能源污染的指数效应

无论粘度限制如何（这对于正确润滑和高效运行极其重要），当涉及到油、密封件和软管寿命时，极端危险温度并不是一个可移动的盛宴。根据阿累尼乌斯定律，温度每升高 10°C ，反应速率就会加倍。我们关心的与液压油寿命有关的化学反应是氧化（由于空气的存在）和水解（由于水的存在）。因此，油越热，这些反应的速度就越快，并且呈指数级增长。

举例来说，如果你将一些食用油倒入玻璃杯中，需要几天（甚至几周）它的颜色才会变深——这是氧化的迹象。但如果将等量的食用油倒入煎锅中，使油与空气有很大的接触面积，然后加热，油就会在更短的时间内变黑。如果允许液压油发生氧化失效，则油氧化的副产品（清漆和油泥）会导致可靠性问题，例如过滤器堵塞和阀芯静摩擦。

工作温度对液压油寿命的影响。在油箱回流进行的测量。

（来源：关于液压值得了解的事实，丹佛斯流体动力，第 17 页。）

诺谟图说明了工作温度对液压油寿命的巨大影响。如果液压系统在 85°C 下运行，油的寿命是系统在 60°C 下运行时的 12%。如果系统在 102°C 下运行，油寿命仅为系统在 60°C 下运行时的 3%。

能源污染和热降解

热量会通过两种方式损坏油。刚刚讨论了第一个：氧化。氧化是一种化学反应，高油温和空气的存在会加速该反应。这是油的“正常”氧化降解。

第二种涉及对油进行强烈的局部加热。局部高温的常见原因有：

– 夹带的气泡破裂，

– 微柴油、

– 高功率密度加热器，

– 系统中出现大且持续的压降——例如，油流过安全阀——并且，

– 静电放电引起的电弧。该过程有时被称为热氧化降解。

重要的是，这两种形式的氧化降解的化学过程不同，因此它们在油品分析报告上的表现也不同。涉及强烈局部加热的降解会在油中产生碳质硝基硝酸盐。它通常在傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱油分析报告中显示为硝化。另一方面，通过“正常”氧化降解的油会产生金属羧酸盐和羧酸。总酸值 (TAN) 测试旨在量化这些酸的含量，以及剩余的油寿命。

过高的热量比油的危害更大

液压油并不是唯一受能源污染影响的物质。用于制造液压密封件和软管的弹性体一直在改进。但油温高于 82°C 会加速大多数此类聚合物的降解。事实上，根据密封件制造商 Parker Pradifa 的说法，工作温度高于建议限值 10°C 会导致密封件寿命缩短 80% 或更多。

同样，根据软管制造商 Gates 的说法，将液压软管暴露在比建议最高温度高 10°C的工作温度下，其预期使用寿命会缩短 50%。这意味着一次严重的超温事件可能会损坏所有软管和密封件，使油“破裂”，并导致润滑表面的擦伤和磨损。

如果这一切还不够糟糕的话，当极端温度更高时，加热和冷却的持续循环（这一过程称为老化）会更加严重。老化会导致密封件和软管中使用的聚合物失去弹性。最终的结果是软管和密封件泄漏。

设置温度限制

那么液压系统的危险工作温度是多少呢？出于已经解释过的原因，为了避免影响油、软管和密封件的使用寿命，我始终在最高 85°C 的温度下工作。然而，为了避免影响粘度、润滑和系统效率，可能必须考虑更低的温度：从 85°C 降至约 50°C ，或者可能更低，具体取决于使用的油的等级和类型，以及机器运行的气候条件。在大多数应用中，全年保持低于这些最高温度限制将要求机器的液压系统使用油冷却器。

沃尔特·艾萨克森 (Walter Isaacson) 的史蒂夫·乔布斯 (Steve Jobs) 传记讲述了乔布斯要求其中一台早期麦金塔电脑不能包含冷却风扇的故事。乔布斯认为冷却风扇会降低用户体验，我倾向于同意。当我的 Alienware X51-R2 上的冷却风扇转速加快时，我确实觉得有点烦人。不管怎样，尽管当时他的工程师最初反对，但乔布斯还是占了上风，而且发货的模型外壳上没有冷却风扇。

我提到这个故事是因为许多液压机械制造商和最终用户都与已故的乔布斯一样，不喜欢排热设备（在我们的例子中是油冷却器）。但不能说液压设备上的油冷却器会降低用户体验。相反，油冷却器或足够尺寸的油冷却器会因以下一个或多个原因而受到阻碍：

– 初始投资成本，

– 需要维护，

– 它需要的空间，或

– 它增加到机器上的重量。

事实上，在我为最终用户设计和建造液压动力装置时，我记得如何与那些希望没有油冷却器和尽可能小的油箱的客户打交道！

更大的油箱不是解决办法

增加油箱容积可以消除对油冷却器的需求的想法是有缺陷的——就输入功率而言，除了最小的系统之外。油箱热对流的计算公式（采用 SI 单位）为：

P = ΔT × A × H ÷ 1000

此处：

P为散热量，kW

ΔT为油与空气之间的温差，°C

A为箱体表面积，不包括底座，m2

H为空气的对流换热系数，W/(m2°C)

对于通风正常的空间使用 12，对于强制通风使用 24，对于空气流通不良使用 6。

假设油箱的容积为 200 升，面积（不包括底座）为 1.7 平方米，环境空气温度为 35°C，工作油温为 85°C。在“正常通风”的空间中， 油箱的理论散热量为：

(85-35) × 1.7 × 12 ÷ 1000 = 1 kW

为了便于说明，假设这个计算过于保守，所以我们将上述数字加倍。换句话说，我们预计 200 升的油箱将散发 2 kW 的热量。从这个数字倒推，如果我们希望液压系统的安装冷却能力为输入功率的 25%（并且油箱是唯一安装的冷却装置），那么允许的最大连续输入功率仅为 8 kW！显然，在大多数应用中，用大（或更大）油箱代替油冷却器的想法是不现实的。

如果您接受这样一个事实，即任何液压设备都不可避免地会出现能源浪费的压降，那么在大多数应用中，尺寸适当的油冷却器也是如此。因为就液压设备的可靠性而言，不受控制的能源污染可能与不受控制的颗粒污染一样严重，甚至更糟。

原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：为什么您的液压设备可能需要一个油冷却器-而且是一个大的！