移動作業(yè)機械冷卻系統(tǒng)的改進設(shè)計

谷　操，　董慶麗，　趙迎豐，　蘆柯京

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

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移動作業(yè)機械冷卻系統(tǒng)的改進設(shè)計

谷操，董慶麗，趙迎豐，蘆柯京

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

從優(yōu)化空間布置和降低能耗的角度出發(fā)，綜合考慮了結(jié)構(gòu)、溫度和阻力的相互關(guān)系和影響，對某移動作業(yè)機械的冷卻系統(tǒng)進行了改進設(shè)計.試驗表明，改進后的系統(tǒng)的熱力性能不低于原系統(tǒng)，而重量、體積和能耗等方面均有明顯改善.

移動作業(yè)機械；冷卻系統(tǒng)；散熱器

某移動作業(yè)機械不僅具有挖掘和推土的功能，還能牽引大噸位的負載.其動力源是康明斯的6CTAA8.3-C240渦輪增壓空空中冷發(fā)動機，行走部分主要包括變速箱及變矩器，舉升翻斗的作業(yè)機構(gòu)為全液壓的驅(qū)動系統(tǒng).其冷卻系統(tǒng)主要包括水散熱器、空空中冷器、變矩器油散熱器和液壓油散熱器4種.冷卻風扇采用液壓馬達方式進行驅(qū)動，并具有溫控功能.溫控策略是以水散熱器進口溫度、液壓油散熱器進口溫度、變矩器油散熱器進口溫度和中冷器出口溫度為控制點，根據(jù)功能及工作狀態(tài)分析并確定溫度控制的優(yōu)先順序為水溫、液壓油溫、變矩器油溫及中冷器出口溫度，通過比例溢流閥對馬達轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而控制風扇風量.該移動作業(yè)機械對冷卻系統(tǒng)的散熱需求如表1所示.

表1　移動作業(yè)機械的散熱需求

續(xù)表1

1　原冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及性能

原冷卻系統(tǒng)位于某移動作業(yè)機械尾部，其散熱器部件采用了三層串聯(lián)的方式.以空氣流動方向為前后順序，它們分別是空空中冷器和液壓油散熱器并列聯(lián)成一層(兩個散熱器獨立分開，通過螺栓安裝連接)，放置在最前面，水散熱器獨自一層，放置在中間部位，后面是變矩器油散熱器獨自一層.冷卻風扇位于車體內(nèi)部向各個散熱器部件吹風，冷空氣依次經(jīng)過空空中冷器和液壓油散熱器、水散熱器、變矩器油散熱器，最后流向車尾外部，其結(jié)構(gòu)原理和布置形式如圖1所示，產(chǎn)品如圖2所示.

圖1　原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖2　原系統(tǒng)產(chǎn)品圖

原冷卻系統(tǒng)各部件的相關(guān)參數(shù)如表2所示.

該系統(tǒng)在作業(yè)工況和牽引工況中，其散熱能力基本能夠滿足整個系統(tǒng)的要求.然而在實際使用過程中，產(chǎn)品外形尺寸偏大，安裝空間狹小，因此，從優(yōu)化空間布置和降低能耗的角度出發(fā)，對該移動作業(yè)機械的冷卻系統(tǒng)進行改進設(shè)計.

表2　原系統(tǒng)各部件相關(guān)參數(shù)

2　改進設(shè)計

2.1改進設(shè)計思路

1)冷卻系統(tǒng)各個介質(zhì)在不同工況下的工作溫度不同，要充分考慮如何利用冷卻系統(tǒng)中冷卻風經(jīng)過各個散熱器的溫升梯度，以加強系統(tǒng)的冷卻效果.

2)由于移動作業(yè)機械的液壓系統(tǒng)和變矩器的發(fā)熱工況不會同時出現(xiàn)最大值，因此可以考慮在滿足散熱要求的基礎(chǔ)上，合理匹配散熱器的結(jié)構(gòu)布置和散熱裕度.

3)用整體式焊接技術(shù)將4個分開獨立的散熱器設(shè)計成兩個一體式的結(jié)構(gòu)，減少原系統(tǒng)中空氣流動的突擴和突縮次數(shù)，降低風阻.在風扇轉(zhuǎn)速不變的情況下產(chǎn)生較多的風量，同時通過優(yōu)化機構(gòu)布局可以增加空氣側(cè)有效流通面積和傳熱面積[1].

2.2改進設(shè)計方案

根據(jù)以上對原冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計思路，可以對該系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)上的改進，改進方案如下：

1)將改進后的系統(tǒng)設(shè)計為兩層串聯(lián)方式，將空空中冷器和液壓油散熱器并聯(lián)成一層放置在前方，水散熱器和變矩器油散熱器并聯(lián)成一層放置在后方.風扇吹過的空氣經(jīng)過空空中冷器和液壓油散熱器，再經(jīng)過水散熱器和變矩器油散熱器.這樣不僅可以降低進入變矩器油散熱器的冷空氣溫度，提升散熱效果，而且消除了變矩器油散熱器對水散熱器的熱輻射影響;同時也降低了系統(tǒng)風側(cè)阻力.

2)將空空中冷器和液壓油散熱器設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu)，將水散熱器和變矩器油散熱器設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu)，這種鋁板翅式焊接結(jié)構(gòu)的整體式散熱器設(shè)計技術(shù)在其他多種特種車輛上采用，能夠?qū)崿F(xiàn)增加散熱器部件的傳熱面積、提升散熱效果的目的，同時也使系統(tǒng)易于安裝和維護保養(yǎng).

3)因改進后的系統(tǒng)阻力下降，對冷卻風扇的需求也發(fā)生了變化，在原系統(tǒng)馬達不改變的基礎(chǔ)上選擇新風扇，功率和扭矩將比原系統(tǒng)低.

改進后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品如圖4所示.

圖3　改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖4　改進系統(tǒng)產(chǎn)品圖

通過改進設(shè)計，冷卻系統(tǒng)各部件的相關(guān)參數(shù)如表3所示.

表3　改進系統(tǒng)各部件相關(guān)參數(shù)

3　試驗對比驗證

將改進后的冷卻系統(tǒng)裝在移動作業(yè)機械上，與裝有原冷卻系統(tǒng)的移動作業(yè)機械在相同時間、相同環(huán)境和相同工況下進行試驗.在環(huán)境溫度30 ℃的情況下，兩臺移動作業(yè)機械進行兩類工況試驗：一是作業(yè)工況試驗，即在工作現(xiàn)場進行挖土、推土作業(yè)；二是牽引工況試驗，在公路上牽引30 t的平板車運行.試驗中對各個散熱器部件的進口或出口溫度進行監(jiān)控和測量.作業(yè)工況試驗中各個散熱器部件的溫度圖如圖5、圖6所示，牽引工況試驗中各個散熱器部件的溫度圖如圖7、圖8所示.

圖5　原冷卻系統(tǒng)作業(yè)工況溫度圖

圖6　改進冷卻系統(tǒng)作業(yè)工況溫度圖

圖7　原冷卻系統(tǒng)牽引工況溫度圖

圖8　改進冷卻系統(tǒng)牽引工況溫度圖

經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，試驗結(jié)果見表4.

表4　對比試驗結(jié)果

首先，從表4的試驗結(jié)果來看，這兩種系統(tǒng)的散熱能力都能夠滿足各個部件系統(tǒng)的使用要求，即水散熱器的進口溫度、中冷器增壓空氣出氣溫度、液壓油散熱器進油溫度和變矩器油散熱器進油溫度符合該移動作業(yè)機械對冷卻系統(tǒng)的散熱需求(見表1).

其次，通過兩種系統(tǒng)的溫度對比，改進系統(tǒng)的各項試驗溫度比原冷卻系統(tǒng)的略小或者相當，這表明改進系統(tǒng)的熱力性能不低于原系統(tǒng).

再次，改進冷卻系統(tǒng)的總重減輕了15.7%、外型尺寸減小了10%，風扇功率降低了16.1%，比原冷卻系統(tǒng)都有明顯的改善.同時，改進冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也提升了安裝和維護保養(yǎng)的方便性.

4　結(jié)　論

從優(yōu)化空間布置和降低能耗的角度出發(fā)，綜合考慮各個散熱部件(包括散熱器部件和風扇等)結(jié)構(gòu)、溫度和阻力的相互關(guān)系和影響，通過整體式焊接等技術(shù)對某移動作業(yè)機械的冷卻系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)和性能上的優(yōu)化匹配設(shè)計.在符合移動作業(yè)機械散熱需求的基礎(chǔ)上，改進冷卻系統(tǒng)的熱力性能不低于原冷卻系統(tǒng)，同時重量減輕了15.7%、外型尺寸減小了10%，風扇功率降低了16.1%，與原冷卻系統(tǒng)相比有明顯改善.

[1]谷操，姜紅霞，蘆柯京.某型車輛的散熱器產(chǎn)品改進設(shè)計分析 [J].車輛與動力技術(shù),2014，(1)：41-43.

Optimized Design for the Cooling System on the Mobile operating machinery

GU Cao,DONG Qing-li,ZHAO Ying-feng,LU Keng-jing

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China)

From the perspective of optimizing space layout and reducing energy consumption, the cooling system of a mobile operating machinery is improved by considering the relationship and mutual influence of the structure, temperature and resistance. Experimental results show that the thermal and resistance performance of the improved system is not worse than that of the original system, and the cooling system’s weight, volume and energy consumption have been improved obviously.

mobile operating machinery；cooling system；heat exchanger

1009-4687(2016)01-0051-04

2015-09-03.

谷操，(1969-)，男，研究員，主要研究方向為車輛傳熱系統(tǒng)技術(shù)研究.

U469.79；U464.138+.2

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