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        非公路礦用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配研究

        2018-12-21 03:25:32謝鳳群王志行
        機(jī)電信息 2018年36期
        關(guān)鍵詞:芯體自卸車礦用

        張 超 謝鳳群 王志行

        (徐州徐工礦山機(jī)械有限公司,江蘇徐州221000)

        0 引言

        冷卻系統(tǒng)作為車用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要分系統(tǒng),其功能是將受熱件傳導(dǎo)出來(lái)的熱量,及時(shí)散發(fā)到周圍環(huán)境中去,使發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下都保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。良好的冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱,也要防止冬季發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)冷。此外,在冷態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)之后,冷卻系統(tǒng)還要保證發(fā)動(dòng)機(jī)迅速升溫,盡快達(dá)到正常的工作溫度[1]。

        礦用自卸車因使用工況極其惡劣,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的要求也更加苛刻:多塵環(huán)境下,有足夠的散熱能力;高溫、高寒和高海拔地區(qū)等特殊工況下,冷卻系統(tǒng)仍能正常工作[2]。因此,冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)車輛的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性尤為重要。本文以某大型非公路礦用自卸車為例,對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了匹配計(jì)算。

        1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理

        非公路礦用自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)一般為強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng),由發(fā)動(dòng)機(jī)水套、水泵、節(jié)溫器、低溫散熱器、高溫散熱器、膨脹水箱、風(fēng)扇、冷卻管道等組成,如圖1所示。

        圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成

        如圖2所示,礦用發(fā)動(dòng)機(jī)多采用雙泵雙循環(huán)水冷系統(tǒng)。

        高溫循環(huán)水冷系統(tǒng)中,冷卻水通過(guò)高溫水泵流經(jīng)機(jī)油冷卻器、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套,將發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的發(fā)熱量帶出,在經(jīng)過(guò)高溫節(jié)溫器時(shí),當(dāng)水溫低于節(jié)溫器開啟溫度,回到高溫水泵;當(dāng)水溫大于節(jié)溫器開啟溫度,流經(jīng)高溫散熱器后,回到高溫水泵。

        低溫循環(huán)水冷系統(tǒng)中,冷卻水通過(guò)低溫水泵流經(jīng)中冷器,將中冷器的發(fā)熱量帶出,在經(jīng)過(guò)節(jié)溫器時(shí),當(dāng)水溫低于低溫節(jié)溫器開啟溫度,回到低溫水泵;當(dāng)水溫大于低溫節(jié)溫器開啟溫度,流經(jīng)低溫散熱器后,回到低溫水泵。

        圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)示意圖

        冷卻水將發(fā)動(dòng)機(jī)缸套和中冷器的發(fā)熱量帶出,在散熱器芯體內(nèi)部流動(dòng)后,和流過(guò)散熱器芯體外的冷空氣進(jìn)行熱交換。當(dāng)風(fēng)扇控制器控制的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)工作時(shí),散熱器的散熱能力增強(qiáng),加速了冷卻水的冷卻。

        2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算

        車輛冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟[3]:(1)確定發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓系統(tǒng)等的散熱量;(2)確定所需冷卻水的流量;(3)確定風(fēng)扇風(fēng)量、轉(zhuǎn)速、直徑等數(shù)據(jù);(4)確定高溫散熱器、低溫散熱器的散熱面積和芯體尺寸;(5)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配計(jì)算,確定冷卻系統(tǒng)工作點(diǎn)。最后,經(jīng)過(guò)比較對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。大型礦用自卸車的運(yùn)行工況以礦區(qū)的山路為主,道路條件較差,坡路多,另外車輛本身處于重載甚至超載的情況也很普遍,所以應(yīng)適當(dāng)增大安全系數(shù),以保證車輛發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

        2.1 基本參數(shù)

        本文所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)需滿足45℃高溫環(huán)境要求,只針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的散熱量進(jìn)行匹配研究,具體發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。

        表1 某礦用發(fā)動(dòng)機(jī)HTC基本參數(shù)

        2.2 冷卻空氣的體積流量

        冷卻空氣的流量,即冷卻風(fēng)扇的供風(fēng)量qv,a,根據(jù)冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)出去的熱量Qw,由熱平衡方程進(jìn)行計(jì)算[4]:

        表2 某礦用發(fā)動(dòng)機(jī)LTC基本參數(shù)

        式中,Qw為冷卻系統(tǒng)需帶走的熱量(kJ/h),為發(fā)動(dòng)機(jī)缸套冷卻液散熱量Qw1和中冷器冷卻液散熱量Qw2之和;Δta為冷卻空氣進(jìn)、出水散熱器的溫升,通常為20~30℃,取25℃;ρa(bǔ)為空氣的密度,45℃環(huán)境溫度下取1.11 kg/m3;cp,a為空氣定壓比熱容,可近似取1.005 kJ/(kg·℃)。

        將相關(guān)數(shù)據(jù)代入,求得qv,a=48.4 m3/s,考慮到風(fēng)扇效率和損失,取儲(chǔ)備系數(shù)1.1,故實(shí)際冷卻空氣的流量為53.24 m3/s。

        2.3 冷卻風(fēng)扇參數(shù)確定

        礦用自卸車風(fēng)扇多采用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),首先,依據(jù)整車布置及發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇中心高度參數(shù)等,確定風(fēng)扇傳動(dòng)比,確定額定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速;其次,依據(jù)散熱器芯體的正面面積,確定直徑大??;最后,依據(jù)冷卻空氣流量和冷卻系風(fēng)道系統(tǒng)阻力確定風(fēng)扇靜壓和風(fēng)扇風(fēng)量,如圖3所示。

        圖3 風(fēng)扇靜壓曲線

        2.4 散熱器散熱面積的計(jì)算

        散熱器作為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心單元,其設(shè)計(jì)主要包括散熱面積計(jì)算、散熱器芯體、水室設(shè)計(jì)、膨脹水箱、導(dǎo)風(fēng)罩設(shè)計(jì)等。本文只介紹散熱面積計(jì)算。礦用自卸車散熱器芯體包括低溫散熱器芯體和高溫散熱器芯體,前后布置。實(shí)際計(jì)算中,忽略上、中、下水室的影響,只計(jì)算高溫芯體的散熱面積Sw1和低溫芯體的散熱面積Sw2。

        式中,φw為儲(chǔ)備系數(shù),一般取1.1;Kw為傳熱系數(shù)[W/(m2·K)],可由公式(3)計(jì)算;Δtm為熱換介質(zhì)算數(shù)平均溫差(℃),可由公式(4)計(jì)算。

        式中,αw為冷卻水的對(duì)流熱換系數(shù)[W/(m2·K)];δ為材料厚度(m);λ為材料熱導(dǎo)率[W/(m2·K)];αk為空氣的對(duì)流熱換系數(shù)[W/(m2·K)]。

        式中,tw1為散熱器進(jìn)水溫度(℃);tw2為散熱器出水溫度(℃);tk1為空氣進(jìn)入散熱器溫度(℃);tk2為空氣流出散熱器溫度(℃)。

        將相關(guān)參數(shù)代入公式(2)、(3)、(4),得出Sw1和Sw2。

        3 熱平衡試驗(yàn)與結(jié)果

        對(duì)搭載某發(fā)動(dòng)機(jī)的礦用自卸車進(jìn)行熱平衡負(fù)載試驗(yàn),試驗(yàn)按照下列方案實(shí)施:測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度35℃,熱平衡試驗(yàn)為額定功率點(diǎn)工況,以電阻柵作為負(fù)載,原地滿功率加載測(cè)試。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

        圖4 熱平衡試驗(yàn)冷卻水溫度變化曲線

        圖中,經(jīng)過(guò)大約55 min的時(shí)間,發(fā)動(dòng)機(jī)高溫冷卻水和低溫冷卻水均達(dá)到了平衡溫度,分別為89.5℃、61.2℃。根據(jù)公式可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際極限環(huán)境使用溫度LTA。

        根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可判斷出設(shè)計(jì)滿足要求。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文通過(guò)對(duì)某礦用自卸車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配計(jì)算,可知當(dāng)極限環(huán)境溫度低于45℃時(shí),散熱器芯體、風(fēng)扇的參數(shù)設(shè)計(jì)可滿足要求,為相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供了理論依據(jù)。

        冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算是一個(gè)參數(shù)不斷優(yōu)化的過(guò)程,優(yōu)化的同時(shí),也提高了整車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

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