四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 楊盛雄 李 華 姚 進(jìn)

ZL50裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算

四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 楊盛雄 李 華 姚 進(jìn)

針對ZL50型裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)發(fā)熱機(jī)構(gòu)，給出相應(yīng)的熱計(jì)算公式，并根據(jù)艾里遜系列采用相應(yīng)的公式，計(jì)算出保持傳動(dòng)系統(tǒng)熱平衡所需的冷卻油的流量。

在ZL50裝載機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于傳遞的功率比較大，因此就不可避免地在各項(xiàng)發(fā)熱機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生較大的熱量，如果不及時(shí)地把這些熱量排除，輕則降低整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，重則使某些機(jī)構(gòu)損壞，因此對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡具有一定的應(yīng)用意義。

熱平衡；ZL50裝載機(jī)

1 傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱量計(jì)算

ZL50裝載機(jī)的油液循環(huán)路線如圖所示：

從泵里面出來的冷卻油一部分經(jīng)過換向閥流向離合器活塞油缸，推動(dòng)離合器主從動(dòng)盤結(jié)合，流經(jīng)這部分的流量比較小，而且產(chǎn)生的熱量比較小，在計(jì)算時(shí)，忽略這條支路產(chǎn)生的熱量；冷卻油的另一部分流出散熱器后，經(jīng)過散熱器的散熱，分別流經(jīng)離合器、軸承和油箱，對其進(jìn)行熱交換。最后這兩支油路一起進(jìn)入泵，整個(gè)系統(tǒng)完成一個(gè)循環(huán)。

1.1 變矩器的發(fā)熱計(jì)算

在計(jì)算變矩器的熱量時(shí)，是根據(jù)渦輪的轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)速n來計(jì)算的，穩(wěn)定工作時(shí)變矩器的工作效率是個(gè)變值，計(jì)算時(shí)取有效的功率η1來計(jì)算。

1.2 離合器的發(fā)熱計(jì)算

對于離合器而言，在結(jié)合和分離的過程中產(chǎn)生較大的熱量，這兩個(gè)過程直接影響到離合器的發(fā)熱和溫升，因此在對離合器的熱平衡進(jìn)行計(jì)算時(shí)，就需要計(jì)算出在結(jié)合和分離過程中產(chǎn)生的熱量。對于這兩個(gè)過程的產(chǎn)熱量的計(jì)算是用滑摩功來計(jì)算的。

滑摩功的計(jì)算公式為：

式中：

Td：離合器的轉(zhuǎn)矩；N·m，

T：從動(dòng)機(jī)對離合器的工作轉(zhuǎn)矩；N·m

I2：從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；kg·m2，

n1：離合器結(jié)合前主動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速；r／min

n2：離合器結(jié)合前從動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速；r／min

由于離合器產(chǎn)熱的過程比較短，產(chǎn)熱量比較大，如果按照瞬時(shí)的產(chǎn)熱量來加潤滑油，就會(huì)出現(xiàn)潤滑油的浪費(fèi)，在這里是根據(jù)一個(gè)小時(shí)的產(chǎn)熱量來計(jì)算潤滑油的流量，同時(shí)考慮到在結(jié)合或是分離的瞬間，潤滑油的冷卻效果極其有限，摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量主要是靠離合器自身的導(dǎo)熱能力，為了防止出現(xiàn)溫度過高而燒片，對離合器摩擦片可做有限元熱分析，可以模仿瞬時(shí)離合器摩擦片的溫升情況。

設(shè)ZL50裝載機(jī)的結(jié)合頻率為m次／min，故一個(gè)小時(shí)一個(gè)離合器產(chǎn)生的熱量為：

1.3 齒輪的發(fā)熱計(jì)算

對于齒輪的產(chǎn)熱量是按照齒輪的傳動(dòng)效率計(jì)算的，設(shè)一對齒輪的嚙合效率為98%，故減速箱某擋位的傳動(dòng)效率為：

式中k為傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪嚙合的對數(shù)。

則齒輪的機(jī)械損失即發(fā)熱量為：

式中Q為齒輪的功率。

1.4 滾動(dòng)軸承的發(fā)熱計(jì)算

對于滾動(dòng)軸承的熱量損失是按照軸承的工作效率來計(jì)算的，傳動(dòng)系統(tǒng)中軸承的產(chǎn)熱量所占比例較小，實(shí)驗(yàn)表明滾柱和滾珠軸承的效率為0.995，圓錐滾子軸承約為0.99，滾針軸承約為0.992，所以軸承效率可表示為

m——參與工作的推力滾珠軸承數(shù)；

n——參與工作的圓錐滾子軸承的對數(shù)；

l——參與工作的滾針軸承數(shù)；

（這里的軸承是指在該擋位中傳遞轉(zhuǎn)矩的軸承，未傳遞轉(zhuǎn)矩的軸承不計(jì)）

設(shè)由齒輪傳過來的功率為Q11

則軸承發(fā)熱量為Q4＝（1－η總軸承）×Q11

1.5 箱體內(nèi)的攪油損耗

對于機(jī)油飛濺潤滑，選用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

式中：b為浸入油液中的齒輪寬度；h為齒輪的浸油高度；v為齒輪的節(jié)圓線速度。

2 箱體的散熱

以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量為：

αd：箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，一般取8.15～17.45；

s：內(nèi)表面能被潤滑油所飛濺到，而外表面又可為空氣所冷卻的箱體表面面積；

t0：油的工作溫度；

t1：周圍空氣的溫度；

3 熱平衡計(jì)算

系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量極小部分由油箱散走，還有一大部分則是通過散熱器導(dǎo)走的。故傳動(dòng)系統(tǒng)總的熱平衡計(jì)算公式為：發(fā)熱機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的熱量需要通過冷卻油的流動(dòng)把熱量帶走，因此計(jì)算熱平衡時(shí)需要計(jì)算流經(jīng)各發(fā)熱機(jī)構(gòu)的流量。

根據(jù)艾里遜系列設(shè)計(jì)要求為變矩器的進(jìn)出口溫差為12℃，設(shè)在常溫30℃時(shí)，系統(tǒng)的熱平衡溫度為t0，根據(jù)傳熱公式：

其中：

c：潤滑油的比熱kJ／kg·℃；q：潤滑油的流量l／min

ρ：潤滑油的密度kg／m3；t0：潤滑油的進(jìn)口溫度℃

t1：潤滑油的出口溫度℃。

可求得流進(jìn)變矩器潤滑油的流量計(jì)算公式為：

（在計(jì)算離合器和軸承的冷卻油的流量時(shí)是按照二者的發(fā)熱量的比例來分配流量的，也就是保持二者的出口溫度相同）

設(shè)散熱器的出口溫度為t2，離合器和軸承的出口溫度為t3，流進(jìn)離合器的流量為q2，流經(jīng)軸承的流量為q3，根據(jù)傳熱公式可得：

對于熱平衡系統(tǒng)需要保證油箱的出口溫度為泵的進(jìn)口溫度，忽略泵的產(chǎn)熱量，即保證油箱的出口溫度為t0，根據(jù)傳熱公式：

根據(jù)（1），（2），（3），（4）可得各項(xiàng)發(fā)熱機(jī)構(gòu)帶走熱量維持系統(tǒng)平衡所需的流量。

4 總結(jié)

本文的研究可以解決一般的裝載機(jī)對熱平衡的要求，可以計(jì)算以熱平衡為基礎(chǔ)的泵的流量和散熱器的功率的選型，但同時(shí)由于離合器工作機(jī)理比較的復(fù)雜，目前一般只有對結(jié)合的摩擦功有比較精確的公式，對于松開時(shí)的滑摩功的計(jì)算沒有太多的研究，因此對離合器須作進(jìn)一步的有限元熱瞬態(tài)分析；同時(shí)在本文中沒有考慮物體之間接觸產(chǎn)生的熱量，這些熱量也是需要納入計(jì)算的。

［1］劉成峰.ZL50轉(zhuǎn)載機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì).山東大學(xué) ，2008.6.

［2］許晨新.地盤設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［3］連晉毅.傳動(dòng)系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算.設(shè)計(jì)計(jì)算，2002.2.

［4］邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2004.5.

2012－03－07）