冯耀军
南宁铁路局工务检测所广西南宁530029
摘要：液压式轨枕螺栓扳手在连续使用时，油温高是通病，本文主要分析油温升高的原因，提出解决的方法。
关键词：液压；扳手；油温高；原因；对策
引言
铁路上的钢轨和砼枕，通过轨枕螺栓联接成稳定的轨道结构，并达到相应的技术标准后，才能安全开行列车。
铁路上每公里有6000~7000颗轨枕螺栓，一般松紧轨枕螺栓使用的设备有：机械式的轨枕螺栓机动扳手和液压式的轨枕螺栓机动扳手（以下简称液压螺栓扳手）。养护铁路需要经常松紧轨枕螺栓，可以说松紧轨枕螺栓作业是铁路的主要工作之一，既有线松紧轨枕螺栓需要在“封锁天窗”内作业，要求设备轻便可靠（自重≤100kg），人力可随时把设备抬上或撤出线路，不影响行车。由于机械式轨枕螺栓扳手相比液压螺栓扳手存在扭矩小、扭矩离合器磨耗快（尤其扭矩达到160Nm以上时，磨耗特别快）等问题。因此机械式轨枕螺栓扳手的使用受到了很大限制。液压螺栓扳手采用全液压传动的工作方式，可以有效地解决机械式轨枕螺栓扳手的不足，其原理（如图1所示）：由汽油发动机驱动液压泵输出压力油，压力油经过换向阀输送到液压马达，使液压马达正、反向转动，带动工作套筒实现螺母拧紧、旋松动作。但是，目前在用的大部分液压螺栓扳手都存在一个比较突出的问题，当连续高强度工作时，液压系统中的油温很高（达80℃以上），设备因此无法正常工作。
1.液压螺栓扳手油温升高的原因及主要危害
1.1液压油温度升高的原因
液压系统中的功率损失几乎全部转变为热量，造成液压油温升高。目前大部分液压螺栓扳手（包括国产的、进口的）都是采用液压油箱壳体表面自然散热，为了保证设备轻便，油箱不能造得太大，普遍在15~30L之间。在断断续续的轻度工作情况下，设备油温升高不明显，当高强度连续工作时，液压油的温度明显升高，导致液压系统无法正常工作。轨枕螺栓机动板手需要符合TB/T3099-2004《轨枕螺栓机动扳手通用技术条件》才能上道作业，其第4.19条检测要求：“调节扳手的扭矩在最大公称拧紧扭矩并锁定，连续拧紧5000颗螺母，每隔200颗螺母抽检一次，拧紧扭矩稳定性能符合扭矩精度要求（机械式±10%，液压式±5%）。”。笔者了解多款液压螺栓扳手（包括进口产品）送检，但目前没有液压螺栓扳手能通过此条款。通过了解试验现场情况，普遍存在工作30分钟，连续拧紧1000多颗螺母后，液压油温度很高，液压螺栓扳手工作转速变慢、无力。
1.2液压油温度升高的主要危害
一般工程机械液压油温度常控制在30～60℃之间。此时油液的黏度、润滑性和耐磨性均处于最佳状态，系统传递效率最高。当油液温度超过65℃时，会产生以下现象：①油液黏度大大下降，不仅使润滑油膜变薄，摩擦力加大，磨损加剧，而且密封圈膨胀、老化、失效，结果导致液压系统产生泄漏。据研究表明，油温每升高10℃则密封件的寿命就会减半。②油液温度升高后，体积膨胀，压力升高，而泄漏随压力的升高而加大，从而使泄漏增加。③油温升高使间隙胀缩变化。一般配合零件材质不同，材料热膨胀系数不同，当油温达到80℃以上时，配合零件因胀缩变化不同，会使配合间隙发生变化，当间隙变大时，造成泄漏增加。当间隙变小时，元件间可能会发生“卡死”现象，使之无法运动，还会引起机器的热变形，破坏原有的精度。
目前，解决液压系统油温过高的技术，一般是利用油箱壳体表面散热的方法，分自然散热和强制散热两种。利用油箱壳体自然散热，油箱体积往往偏大，容积往往达到200L以上；而强制散热，主要是利用散热器增大油箱的表面积并且通过冷却介质把热量带走。
2.利用油箱壳体表面自然散热的分析
假设液压系统的能量损失全部都转化为热量，用于加热工作液体，而工作液体所吸收的热量仅依靠油箱向周围环境散发，这时液体温度
式中：
T-油液温度（℃）
T0-环境温度（℃）
K-油箱传热系数（W/m2?℃），取值：通风不良=8～9；通风良好=15；风扇冷却=23；循环水冷却=110～174。
A-油箱散热面积（m2）
t-运转时间（s）
C-油比热[1675～2093J/（kg?℃）]
m-油液质量（kg）
H-液压系统单位时间发热量（W），由以下方法得出H=ρ油×V×C油×△T/t1
式中：
H-发热功率（kw）
ρ油-油的密度（常取0.85kg/L）
V-油的容积（L）
C油-液压油的比热容，常取2150j/（kg?℃）
△T-一定时间内油的温升（℃）
t1-温升时间（s）
实际中，我们使用螺栓扳手连续拧紧螺栓（扭矩160Nm）试验，在10分钟内测得油温从30℃上升至45℃，液压油的容积为25升。发热功率计算如下：H=0.85×25×2150×（45-30）/（10×60）=1142w。
当t→∞时，油箱中的温度达到平衡状态，系统热平衡公式
此时油温度为最高温度，所需油箱的最小散热面积
油箱一般为长方形箱体，其长、宽、高之比约在1：1：1至1：2：3之间，油面高度达油箱高度80%时，油箱散热面积与油箱体积的关系可用下列近似公式计算：A≈6.66V2/3
式中：V-油箱的散热体积（m3）
如油的温升（Tmax-T0）取40℃，油箱传热系数取良好散热时K=15，
可确定油箱散热的最小体积Vmin≈[H/（Tmax-T0）]3/2×10-3=（1142/40）3/2×10-3=0.153（m3）=153L
由此可见，液压螺栓扳手连续工作，只利用油箱壳体表面自然散热时，若要保证其温升（比环境温度升高的温度）在40℃内，必须使用153升以上的液压油箱才能实现。油箱和存油的重量达160kg以上，加上动力、油泵、马达、套筒、油管、控制阀等，整机超200kg以上，人力很难随时把设备抬上或及时撤出线路，影响到铁路行车安全，故不适合铁路移动作业。
3.利用油箱强制散热的分析
通过以上分析，我们看到要减小油箱的体积，可以从加大油箱的有效散热面积和提高油箱传热系数着手。
3.1翅片管散热器有效散热面积的计算
采用钢铝复合翅片管散热器可以使油箱做到在较小体积的基础上加大有效的散热面积。以基管直径25mm，翅片外径50mm，片距2.5mm，片厚0.35mm，包覆层厚0.5mm为例，计算1m翅片管的有效散热面积如下：
3.1.1基管表面积=0.07m2
3.1.2翅片正反面面积=（大圆面积-小圆面积）×2=1.1455m2
3.1.3翅片顶端面积=0.022m2
以上三部分有效散热面积合计=1.2375m2。
3.2冷却风扇理论风量的计算
钢铝复合翅片管散热器由于翅片比较密集，自然空气流通不好，应考虑使用风扇或流水加快热交换，液压螺栓扳手属移动设备，需要考虑轻便及成本，故选择使用风扇冷却，理论上需要风量如下：
H=Qa×ρk×Ｃｐ×Δt
式中：H-液压系统单位时间发热量（J/h）
Qa-风扇风量（m3/h）
ρk-空气密度（取ρｋ＝1.29kg/m3）
Ｃｐ-空气比热容（取Ｃｐ＝1008J/kg?℃）
Δｔ-进出风温差（取Δｔ＝１０℃）
理论上需要风量Ｑａ=1142×3600/（1.29×1008×10）=316.2（m3/h）。
3.3使用翅片管散热器结合冷却风扇的分析
我们选用2m长翅片管有效散热面积为2.475m2的钢铝复合翅片管液压油箱散热器，考虑在液压螺栓扳手上单独设计增加排风扇很困难（不但增加自重，而且增加成本），经反复研究试验，最终取以下方案：综合利用空冷汽油机冷却风扇，并与散热器进行独特的联结，使之吸走油箱散热器的热量（如图2所示）。
根据
考虑翅片接触热阻修正系数在0.7～0.88之间，取值0.8
K值=15（由于发动机冷却风量约为80m3/h，达不到316m3/h理论风量的要求，此值经试验计算得出）
则液压油温升为：Tmax-T0=1142/（2.475×15×0.8）=38.4（℃）
由于系统散热主要由散热器散发，液压油箱容积可以只考虑液压元件及系统管路需要，故油箱可以做得比较小巧，实际中我们采用油箱总容积V=9（L）。并按此设计制造了样机，经过长时间工作试验在10℃～25℃的环境温度下，液压油的温升不超过37℃，符合液压设计的有关规范要求。
4.结论
液压式轨枕螺栓扳手采用翅片管散热器与空冷汽油机联接的设计方案，通过汽油机的冷却风扇吸走油箱散热器的热量。经连续高强度工作试验，液压油的温升不超过37℃，可避免目前在用设备油温过高无法作业的问题，既满足了实际工作的需要，也达到了移动设备需要减小体积、降低重量（≤75kg）的目的。
参考文献：
[1]徐维玲.机械设计.液压油温度过高的危害及常见原因分析。
[2]李红船.冯忠绪.液压系统开式油箱设计.起重运输机械.2007.12.
[3]西门机电.钢铝复合翅片管散热器换热面积计算.