劉永杰，解 剛，汪允顯

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 2 2 1 0 0 5）

大型液壓挖掘機(jī)多使用于環(huán)境惡劣、粉塵大、溫度高的露天礦山開采，且長(zhǎng)期處于大功率、高轉(zhuǎn)速、重負(fù)荷作業(yè)工況下。如果液壓挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)得不到有效的冷卻散熱，將直接影響到機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

1 液壓挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)分析

液壓挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇吸風(fēng)散熱的方式。

1.1 機(jī)械驅(qū)動(dòng)

依靠發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸前端皮帶輪的定傳動(dòng)比驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇的機(jī)械直驅(qū)式吸風(fēng)散熱方式影響空間結(jié)構(gòu)布局，雖然通過優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善風(fēng)扇葉片數(shù)量、厚薄度、直徑和角度等措施，能夠在一定程度上提高冷卻系統(tǒng)的散熱效率，但風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速卻不能夠根據(jù)液壓挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)的實(shí)際散熱需求而靈活自由的改變，這種方式多見于30t級(jí)以下中小型液壓挖掘機(jī)。

1.2 液壓驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)工作原理是電子控制器根據(jù)溫度傳感器采集的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、氣溫和液壓油溫度信號(hào)，調(diào)節(jié)齒輪泵和比例控制閥電流，改變齒輪泵的斜盤擺角來(lái)控制泵的排量，進(jìn)而通過比例控制閥來(lái)控制風(fēng)扇葉片馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

1.2.1 液壓馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)

水散熱器和液壓油散熱器并聯(lián)后再前置串聯(lián)中冷器放置，冷卻風(fēng)扇布置在散熱器后側(cè)并通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)吸風(fēng)散熱。因?yàn)閿[脫了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械直驅(qū)風(fēng)扇，其結(jié)構(gòu)布置不受到空間限制，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也可以根據(jù)工況和環(huán)境需求而改變。只是，其冷卻形式還是從根本上改變不了水散和油散各自散熱需求，易過冷或過熱。并且，因?yàn)槠洳贾梅绞较喈?dāng)于增加了散熱器芯子厚度，加大了空氣流動(dòng)阻力，需消耗更多的功率，經(jīng)濟(jì)性較差。考慮到空間結(jié)構(gòu)和成本，該冷卻系統(tǒng)目前只在30～50t級(jí)中大型液壓挖掘機(jī)上使用。

1.2.2 液壓馬達(dá)和機(jī)械聯(lián)合驅(qū)動(dòng)

水散熱器串聯(lián)中冷器后和液壓油散熱器并聯(lián)放置，水散熱器通過發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)風(fēng)扇冷卻，液壓油散熱器單獨(dú)依靠葉片馬達(dá)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇冷卻。該組合冷卻系統(tǒng)使液壓油散熱器和冷卻風(fēng)扇布置不受空間限制，且液壓油散熱器冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也可以根據(jù)工況和環(huán)境需求而自由變化，風(fēng)扇消耗功率少，經(jīng)濟(jì)性較好。該冷卻系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的70t級(jí)以上大型液壓挖掘機(jī)得到大量使用。

1.2.3 液壓馬達(dá)完全獨(dú)立驅(qū)動(dòng)

水散熱器串聯(lián)中冷器后和液壓油散熱器并聯(lián)放置，冷卻風(fēng)扇通過兩組液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)。水散熱器、液壓油散熱器和冷卻風(fēng)扇布置不再受整機(jī)空間限制影響，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以根據(jù)工況和環(huán)境需求而靈活自由變化。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低，噪音小，消耗功率少，經(jīng)濟(jì)性和可靠性好，該冷卻系統(tǒng)也是未來(lái)大型液壓挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)發(fā)展的方向。

2 液壓挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

大型液壓挖掘機(jī)散熱器一般采用鋁合金材質(zhì)的板翅結(jié)構(gòu)形式，冷卻風(fēng)扇多采用PVC材質(zhì)的直葉吸風(fēng)式軸流風(fēng)扇。在設(shè)計(jì)或選用散熱器和風(fēng)扇時(shí)，通常以散入冷卻系統(tǒng)的熱量為原始數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算冷卻液循環(huán)量、冷卻空氣需求量、液壓油散熱量。

2.1 冷卻系統(tǒng)散熱量

冷卻系統(tǒng)散走的熱量QW，可以采用經(jīng)驗(yàn)公式1進(jìn)行計(jì)算

式中 β— 發(fā)動(dòng)機(jī)傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料總熱能的百分比，取0.18～0.25；

ge— 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗率，kg/（k W·h）；

P— 發(fā)動(dòng)機(jī)功率，k W；

δ— 燃料的低熱值，k J/kg；κ— 安全系數(shù)，選取1.25。

對(duì)于液壓挖掘機(jī)來(lái)說，一般把最大轉(zhuǎn)速下的額定功率作為冷卻系統(tǒng)的計(jì)算工況功率，對(duì)最大扭矩的功率僅進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1.1 冷卻液循環(huán)量

根據(jù)散入冷卻系統(tǒng)中的熱量，用經(jīng)驗(yàn)公式2可以算出冷卻液的循環(huán)Vs

式中 ρs—冷卻液的密度，kg/m3；

Cs— 冷卻液的比熱容，k J/(kg·℃）；

Δts—冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)循環(huán)溫升，℃。

當(dāng)環(huán)境溫度超過38℃時(shí)，環(huán)境溫度每上升6℃，冷卻液散熱量需修正增加1%。

2.1.2 冷卻空氣的需求量

根據(jù)散熱器的散熱量，冷卻空氣需求量通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式3計(jì)算

式中 ρk—冷卻空氣的密度，kg/m3；

Ck— 空氣的定壓比熱容，k J/（kg·℃）；

Δtk—冷卻空氣進(jìn)、出散熱器的溫升，℃。

當(dāng)環(huán)境溫度超過38℃時(shí)，環(huán)境溫度每上升6℃，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度散熱量需修正增加1.5%。

2.1.3 液壓油散熱量

液壓系統(tǒng)的散熱量Qh可以按照經(jīng)驗(yàn)公式4計(jì)算

式中 Ph—液壓系統(tǒng)消耗功率k W；

λ—液壓系統(tǒng)效率，選取75%；

ρh—液壓油的密度，kg/m3；

Ch— 液壓油比熱容，k J/（kg·℃）；

Δth—液壓油與空氣的算術(shù)平均溫差，℃。

2.2 散熱器的設(shè)計(jì)

目前，大型液壓挖掘機(jī)的散熱器一般使用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鋁合金材質(zhì)，芯部多使用剛度和耐壓高的板翅式結(jié)構(gòu)，其具有制造難度低，質(zhì)量輕，導(dǎo)熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。選型散熱器設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮外形尺寸和散熱面積Sq，可以按照經(jīng)驗(yàn)公式5計(jì)算

式中 Ks—散熱器的傳熱系數(shù)；

ΔPk—散熱器空氣阻力。通過優(yōu)化散熱器芯部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高散熱器冷卻液的流速和通過散熱器的空氣流速，改善散熱器材質(zhì)以及焊接制造質(zhì)量等措施，可以改變傳熱系數(shù)Ks和空氣阻力ΔPk這兩項(xiàng)評(píng)價(jià)散熱器散熱性能的重要參數(shù)指標(biāo)。

2.3 冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

目前，大型液壓挖掘機(jī)基本上采用直葉吸風(fēng)式軸流風(fēng)扇，設(shè)計(jì)原則是優(yōu)選噪聲低、效率高的風(fēng)扇。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)扇的流量隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大且呈線性關(guān)系，消耗功率與轉(zhuǎn)速成3次方關(guān)系。所以應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)的選型配置，散熱器芯子尺寸與結(jié)構(gòu)形式，風(fēng)扇廠家提供的性能曲線等條件，設(shè)計(jì)選擇風(fēng)扇排量Qf、風(fēng)扇靜壓Pst、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速Q(mào)f、風(fēng)扇外徑D2、風(fēng)扇效率ηf、葉片數(shù)量z、葉片寬度b、葉片安裝角θ、風(fēng)扇內(nèi)徑D1等參數(shù)。

選擇和設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)扇時(shí)，為使冷卻空氣順利通過散熱器并且把熱量帶走，主要依據(jù)風(fēng)扇排量Qf和風(fēng)扇靜壓PSt來(lái)確定風(fēng)扇消耗功率Pw，可以按照經(jīng)驗(yàn)公式6計(jì)算

式中 Vk—冷卻空氣需求量，按式3計(jì)算；

PSt—冷卻風(fēng)扇靜壓；

ηf— 冷卻風(fēng)扇效率。

2.3.1 風(fēng)扇性能曲線

風(fēng)扇性能曲線是風(fēng)扇靜壓PSt、風(fēng)扇軸功率PW、風(fēng)扇靜壓效率ηf與風(fēng)扇排量Qf之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 風(fēng)扇性能曲線

2.3.2 風(fēng)扇性能工況點(diǎn)

以徐工XE900C液壓挖掘機(jī)為例，其采用Cumm ins電控QSK 15發(fā)動(dòng)機(jī)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)完全獨(dú)立散熱方式，風(fēng)扇外徑1 050mm。根據(jù)風(fēng)扇性能曲線圖1可以看出，隨著空氣流量的不斷增加，系統(tǒng)空氣阻力沿著系統(tǒng)阻力特性曲線上升，直到該曲線與風(fēng)扇曲線相交，交點(diǎn)即為冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇性能工況點(diǎn)。

對(duì)于液壓挖掘機(jī)的工況點(diǎn)，應(yīng)該落在風(fēng)扇性能曲線高效率和穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)，以防止冷卻系統(tǒng)吸風(fēng)量不穩(wěn)定，形成渦流異常噪音，影響冷卻系統(tǒng)散熱能力和增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗。

3 結(jié) 論

大型液壓挖掘機(jī)的冷卻系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)冷卻散熱效果產(chǎn)生影響的因素有很多。只有經(jīng)過對(duì)實(shí)際負(fù)載工況特點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格試驗(yàn)和考核，并不斷的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算和匹配，才能使其擁有良好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。 O

[1] 張 杰．簡(jiǎn)述發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及散熱量的計(jì)算[J]．裝備制造技術(shù)，2004，（2）：21-24．

[2] 劉越琪．汽車?yán)鋮s系中風(fēng)扇的優(yōu)選方法[J]．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，（3)：61-63．

[3] 呂 超，王 渠，劉 賓．液壓挖掘機(jī)熱平衡試驗(yàn)分析[J]．建筑機(jī)械化，2009，（2）：44-45．

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