谷　操，　董慶麗，　趙迎豐，　蘆柯京

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072)

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移動(dòng)作業(yè)機(jī)械冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

谷操，董慶麗，趙迎豐，蘆柯京

(中國(guó)北方車(chē)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(duì)某移動(dòng)作業(yè)機(jī)械的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì).試驗(yàn)表明，改進(jìn)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(dòng)作業(yè)機(jī)械；冷卻系統(tǒng)；散熱器

某移動(dòng)作業(yè)機(jī)械不僅具有挖掘和推土的功能，還能牽引大噸位的負(fù)載.其動(dòng)力源是康明斯的6CTAA8.3-C240渦輪增壓空空中冷發(fā)動(dòng)機(jī)，行走部分主要包括變速箱及變矩器，舉升翻斗的作業(yè)機(jī)構(gòu)為全液壓的驅(qū)動(dòng)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(fēng)扇采用液壓馬達(dá)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并具有溫控功能.溫控策略是以水散熱器進(jìn)口溫度、液壓油散熱器進(jìn)口溫度、變矩器油散熱器進(jìn)口溫度和中冷器出口溫度為控制點(diǎn)，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?yàn)樗疁?、液壓油溫、變矩器油溫及中冷器出口溫度，通過(guò)比例溢流閥對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制風(fēng)扇風(fēng)量.該移動(dòng)作業(yè)機(jī)械對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱需求如表1所示.

表1　移動(dòng)作業(yè)機(jī)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(dòng)作業(yè)機(jī)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(dòng)方向?yàn)榍昂箜樞?，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(gè)散熱器獨(dú)立分開(kāi)，通過(guò)螺栓安裝連接)，放置在最前面，水散熱器獨(dú)自一層，放置在中間部位，后面是變矩器油散熱器獨(dú)自一層.冷卻風(fēng)扇位于車(chē)體內(nèi)部向各個(gè)散熱器部件吹風(fēng)，冷空氣依次經(jīng)過(guò)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(chē)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(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的要求.然而在實(shí)際使用過(guò)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(duì)該移動(dòng)作業(yè)機(jī)械的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì).

表2　原系統(tǒng)各部件相關(guān)參數(shù)

2　改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1改進(jìn)設(shè)計(jì)思路

1)冷卻系統(tǒng)各個(gè)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(fēng)經(jīng)過(guò)各個(gè)散熱器的溫升梯度，以加強(qiáng)系統(tǒng)的冷卻效果.

2)由于移動(dòng)作業(yè)機(jī)械的液壓系統(tǒng)和變矩器的發(fā)熱工況不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)最大值，因此可以考慮在滿(mǎn)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(gè)分開(kāi)獨(dú)立的散熱器設(shè)計(jì)成兩個(gè)一體式的結(jié)構(gòu)，減少原系統(tǒng)中空氣流動(dòng)的突擴(kuò)和突縮次數(shù)，降低風(fēng)阻.在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不變的情況下產(chǎn)生較多的風(fēng)量，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化機(jī)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(jìn)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上對(duì)原冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路，可以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，改進(jìn)方案如下：

1)將改進(jìn)后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fēng)扇吹過(guò)的空氣經(jīng)過(guò)空空中冷器和液壓油散熱器，再經(jīng)過(guò)水散熱器和變矩器油散熱器.這樣不僅可以降低進(jìn)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(duì)水散熱器的熱輻射影響;同時(shí)也降低了系統(tǒng)風(fēng)側(cè)阻力.

2)將空空中冷器和液壓油散熱器設(shè)計(jì)成整體式結(jié)構(gòu)，將水散熱器和變矩器油散熱器設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)在其他多種特種車(chē)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(shí)也使系統(tǒng)易于安裝和維護(hù)保養(yǎng).

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

改進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖4　改進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品圖

通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，冷卻系統(tǒng)各部件的相關(guān)參數(shù)如表3所示.

表3　改進(jìn)系統(tǒng)各部件相關(guān)參數(shù)

3　試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證

將改進(jìn)后的冷卻系統(tǒng)裝在移動(dòng)作業(yè)機(jī)械上，與裝有原冷卻系統(tǒng)的移動(dòng)作業(yè)機(jī)械在相同時(shí)間、相同環(huán)境和相同工況下進(jìn)行試驗(yàn).在環(huán)境溫度30 ℃的情況下，兩臺(tái)移動(dòng)作業(yè)機(jī)械進(jìn)行兩類(lèi)工況試驗(yàn)：一是作業(yè)工況試驗(yàn)，即在工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行挖土、推土作業(yè)；二是牽引工況試驗(yàn)，在公路上牽引30 t的平板車(chē)運(yùn)行.試驗(yàn)中對(duì)各個(gè)散熱器部件的進(jìn)口或出口溫度進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量.作業(yè)工況試驗(yàn)中各個(gè)散熱器部件的溫度圖如圖5、圖6所示，牽引工況試驗(yàn)中各個(gè)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(jìn)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(jìn)冷卻系統(tǒng)牽引工況溫度圖

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4　對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

首先，從表4的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，這兩種系統(tǒng)的散熱能力都能夠滿(mǎn)足各個(gè)部件系統(tǒng)的使用要求，即水散熱器的進(jìn)口溫度、中冷器增壓空氣出氣溫度、液壓油散熱器進(jìn)油溫度和變矩器油散熱器進(jìn)油溫度符合該移動(dòng)作業(yè)機(jī)械對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱需求(見(jiàn)表1).

其次，通過(guò)兩種系統(tǒng)的溫度對(duì)比，改進(jìn)系統(tǒng)的各項(xiàng)試驗(yàn)溫度比原冷卻系統(tǒng)的略小或者相當(dāng)，這表明改進(jìn)系統(tǒng)的熱力性能不低于原系統(tǒng).

再次，改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的總重減輕了15.7%、外型尺寸減小了10%，風(fēng)扇功率降低了16.1%，比原冷卻系統(tǒng)都有明顯的改善.同時(shí)，改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也提升了安裝和維護(hù)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(gè)散熱部件(包括散熱器部件和風(fēng)扇等)結(jié)構(gòu)、溫度和阻力的相互關(guān)系和影響，通過(guò)整體式焊接等技術(shù)對(duì)某移動(dòng)作業(yè)機(jī)械的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能上的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì).在符合移動(dòng)作業(yè)機(jī)械散熱需求的基礎(chǔ)上，改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的熱力性能不低于原冷卻系統(tǒng)，同時(shí)重量減輕了15.7%、外型尺寸減小了10%，風(fēng)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(chē)輛的散熱器產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)分析 [J].車(chē)輛與動(dòng)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?yàn)檐?chē)輛傳熱系統(tǒng)技術(shù)研究.

U469.79；U464.138+.2

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