張廣會(huì) 尤曉明
摘 要:匹配自動(dòng)變速器的天然氣礦用自卸車在某礦區(qū)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題,導(dǎo)致運(yùn)輸效率下降。本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究,找到了產(chǎn)生過(guò)熱問(wèn)題的主要原因。通過(guò)對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)的改進(jìn)使問(wèn)題得到了解決。
關(guān)鍵詞:天然氣發(fā)動(dòng)機(jī);過(guò)熱;自動(dòng)變速器;變扭器效率;冷卻系統(tǒng)
1 導(dǎo)言
多臺(tái)匹配自動(dòng)變速器的天然氣礦用自卸車在某煤礦進(jìn)行物料運(yùn)輸時(shí),重載上坡出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高的,動(dòng)力性下降問(wèn)題,嚴(yán)重影響了礦區(qū)的正常生產(chǎn),用戶對(duì)此抱怨極大。本文針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題進(jìn)行了研究。
2 匹配自動(dòng)變速器的天然礦用自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)原理
匹配自動(dòng)變速器的天然氣礦用自卸車整車?yán)鋮s系統(tǒng)有其特殊性,與傳統(tǒng)匹配機(jī)械變速器的車型相比,需要對(duì)自動(dòng)變速器潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻。冷卻自動(dòng)變速器油的裝置是油冷器,而油冷器吸收的熱量需要傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng),然后由發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱器將熱量散掉,達(dá)到冷卻自動(dòng)變速器油的目的。匹配自動(dòng)變速器的天然氣礦用自卸車整車?yán)鋮s系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系和自動(dòng)變速器冷卻系統(tǒng)組成,其中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)由水泵、散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器、發(fā)動(dòng)機(jī)出水管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水管組成。自動(dòng)變速器冷卻系統(tǒng)由油冷器、變速器出油管、變速器進(jìn)油管、油冷器進(jìn)水管、油冷器出水管組成。整車?yán)鋮s系統(tǒng)的熱源有兩個(gè),一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī),一個(gè)是變速器。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度低于節(jié)溫器開(kāi)啟溫度時(shí),屬于“小循環(huán)”冷卻模式,冷卻液循環(huán)路徑是:冷卻液在水泵的驅(qū)動(dòng)下,經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水管,流經(jīng)油冷器,在油冷器內(nèi)進(jìn)行熱交換,吸收變速器油的熱量后冷卻液再流回發(fā)動(dòng)機(jī),如此往復(fù)循環(huán)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度高于節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度時(shí),節(jié)溫器打開(kāi),形成“大循環(huán)”冷卻模式,冷卻液循環(huán)路徑是:高溫的冷卻液經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水管,進(jìn)入散熱器,在散熱器進(jìn)行熱交換,將熱量散發(fā)到大氣中,從散熱器出來(lái)的低溫冷卻液再流經(jīng)油冷器,吸收變速器油的熱量后,再流回發(fā)動(dòng)機(jī),如此往復(fù)循環(huán)。整車?yán)鋮s系統(tǒng)原理圖,見(jiàn)圖1。
3 冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算
3.1 冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算
天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒放出的能量流向分布見(jiàn)圖2。
根據(jù)圖2的天然氣燃燒后的能量分布進(jìn)行冷卻系統(tǒng)功率匹配計(jì)算,在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1900r/min時(shí),天然氣燃燒放出的熱量Q——772.82kW,Q被分成四部分消耗,包括:
其中指示功率Pi又包含了有效功率和機(jī)械損失。由自動(dòng)變速器工作原理介紹可知,自動(dòng)變速器需要油冷器進(jìn)行冷卻,而油冷器吸收的熱量QT就屬于傳動(dòng)系機(jī)械損失產(chǎn)生熱量。也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒輸出的指示功率Pi有部分經(jīng)油冷器以熱能的形式又傳遞給了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)。油冷器傳遞的熱量的多少,與變扭器的工作變扭效率密切相關(guān)。
根據(jù)此型號(hào)自動(dòng)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配關(guān)系,在70%效率點(diǎn)時(shí),熱負(fù)荷為81.1kW,在80%效率點(diǎn)時(shí),熱負(fù)荷為57.3kW。
可見(jiàn),如果自動(dòng)變速器的變扭器處于變扭狀態(tài)時(shí),熱負(fù)荷所占發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的比例非常高,必然會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。
3.2 故障再現(xiàn)
針對(duì)用戶反映的天然氣礦用自卸車過(guò)熱問(wèn)題,使用一臺(tái)與用戶車輛配置完全相同的車輛,在場(chǎng)地進(jìn)行了道路熱平衡試驗(yàn)。分別進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)、額定功率點(diǎn)和自動(dòng)變速器70%變扭效率點(diǎn)的摸底試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)、額定功率點(diǎn)按液氣溫差計(jì)算的許用環(huán)境溫度均滿足使用要求和標(biāo)準(zhǔn)要求,而自動(dòng)變速器70%變扭效率點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度超過(guò)100℃,仍然無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài),存在過(guò)熱現(xiàn)象。
3.3 原因分析
對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)采集的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),由于車輛是重載上坡,車速8km/h左右,自動(dòng)變速器擋位多數(shù)時(shí)間都處于1擋和2擋。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低時(shí),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高,變扭器的渦輪轉(zhuǎn)速逐漸接近于泵輪轉(zhuǎn)速,閉鎖離合器接合,發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器間處于機(jī)械傳動(dòng)狀態(tài)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加,需要的輸出的扭矩增加,此時(shí)自動(dòng)變速器的閉鎖離合器會(huì)分離,當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速低于泵輪轉(zhuǎn)速,變扭器處于變扭狀態(tài)。此時(shí),由于渦輪和泵輪間存在轉(zhuǎn)速差,傳遞效率下降,發(fā)熱量增加,轉(zhuǎn)速差越大,發(fā)熱量也就越高。熱量經(jīng)油冷器進(jìn)行熱交換,傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系,這樣必然增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。此情況正與匹配計(jì)算結(jié)果相符,同時(shí)也與場(chǎng)地試驗(yàn)中的變扭器70%效率點(diǎn)工況相符。所以,過(guò)熱的原因就是變扭器長(zhǎng)時(shí)間變扭導(dǎo)致。
4 解決措施
解決過(guò)熱問(wèn)題,利用傳熱學(xué)理論,宏觀上可以從以下幾個(gè)方面采取措施,
(一)控制熱源。(二)控制冷源。(三)控制熱傳遞路線。
控制熱源,即降低變扭器的發(fā)熱量。根據(jù)自動(dòng)變速器工作原理可知,為了降低變扭器的發(fā)熱量,只有使其處于閉鎖狀態(tài)時(shí),發(fā)熱量才最低。當(dāng)車輛低擋(如1擋、2擋)上坡時(shí),隨著負(fù)荷增加,變扭器渦輪與泵輪間的轉(zhuǎn)速差變大,變扭器處于變扭狀態(tài),從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷增大。如果想使其閉鎖,可以選擇提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩,或者降低車輛行駛阻力。此款車型匹配的420馬力發(fā)動(dòng)機(jī),功率已經(jīng)沒(méi)有提升空間,車輛的裝載量及運(yùn)行路線坡度阻力也無(wú)法改變,所以無(wú)法通過(guò)改變動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的配置使變扭器達(dá)到閉鎖狀態(tài),所以控制熱源的方案不可行。
控制冷源。由于冷源就是車輛運(yùn)行的自然環(huán)境,包括環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度等等,不可控,所以排除此方案。
控制熱傳遞路線,即提高散熱效率。為了提高散熱效率,可以采取增加散熱器正通風(fēng)面積、增加散熱器散熱面積、加大進(jìn)風(fēng)流量、改善機(jī)艙空氣流通性能、加大冷卻液流速等措施。為此采取的改進(jìn)措施,包括拆前臉、拆前保險(xiǎn)杠、拆第一前橫梁、拆機(jī)艙雙側(cè)艙簾、換多葉片無(wú)輪轂風(fēng)扇、并聯(lián)附水箱和電控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇+大尺寸散熱器等措施,對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證。
5 試驗(yàn)驗(yàn)證
5.1 場(chǎng)地道路熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證
(1)拆前臉、拆前保險(xiǎn)杠、拆第一前橫梁、拆機(jī)艙雙側(cè)艙簾、換多葉片無(wú)輪轂風(fēng)扇驗(yàn)證結(jié)果
通過(guò)對(duì)散熱器正前方的遮擋物進(jìn)行逐級(jí)拆除,使散熱器正通風(fēng)面積增加,分別進(jìn)行場(chǎng)地道路熱平衡試驗(yàn)。
場(chǎng)地?zé)崞胶庠囼?yàn)結(jié)果原車狀態(tài)下,變扭器70%變扭效率點(diǎn)工況按液氣溫差計(jì)算許用環(huán)境溫度32.7℃,增加散熱器正通風(fēng)面積后,許用環(huán)境溫度無(wú)明顯提高,說(shuō)明增加散熱器正通風(fēng)面積、加大進(jìn)風(fēng)流量、改善機(jī)艙空氣流通性能的措施效果不夠理想。
(2)并聯(lián)副水箱方案的場(chǎng)地試驗(yàn)驗(yàn)證
為了增加散熱器散熱功率,采用與原車散熱器并聯(lián)一個(gè)額定功率53kW的小型散熱器(副水箱),小型散熱器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),然后再次進(jìn)行場(chǎng)地道路熱平衡試驗(yàn)。結(jié)果,變扭器70%變扭效率點(diǎn)工況,發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度在98.7℃達(dá)到平衡狀態(tài),按液氣溫差計(jì)算許用環(huán)境溫度由原車狀態(tài)的32.7℃提高到38.3℃,提高了5.6℃,改進(jìn)效果顯著。
(3)并聯(lián)副水箱方案的用戶實(shí)際使用試驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)用戶車進(jìn)行臨時(shí)并聯(lián)副水箱的改進(jìn)后試驗(yàn)場(chǎng)驗(yàn)證后,在用戶煤礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),又進(jìn)行了實(shí)車使用驗(yàn)證,結(jié)果在上坡階段,發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度最高98℃,距離水溫上限還有7℃的余量,可以滿足用戶的使用要求。
(4)電控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇+大尺寸散熱器方案的用戶實(shí)際使用試驗(yàn)驗(yàn)證
基于上述各臨時(shí)方案的成功經(jīng)驗(yàn),對(duì)天然氣礦用自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì),將原車由曲軸驅(qū)動(dòng)、硅油離合器控制的冷卻風(fēng)扇改為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電控風(fēng)扇,同時(shí)加大散熱器的尺寸,將正通風(fēng)面積由0.68m2增加到0.876m2,散熱器的額定散熱功率提高81kW。
電控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇+大尺寸散熱器方案在用戶實(shí)際使用驗(yàn)證,上坡發(fā)動(dòng)機(jī)最高出水溫度95.6℃。此時(shí)電控風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1462r/min,尚未達(dá)到最高轉(zhuǎn)速2100r/min,冷卻能力仍有較大余量,完全滿足用戶使用要求。效果比并聯(lián)副水箱方案更顯著,但此方案的缺點(diǎn)是成本較高,產(chǎn)品效益遠(yuǎn)低于并聯(lián)副水箱方案。
6 結(jié)論
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題幾個(gè)解決方案試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,在滿足客戶使用要求的前提下,綜合考慮產(chǎn)品成本和收益,改進(jìn)方案效果最佳的是“并聯(lián)副水箱”方案。
7 關(guān)于礦用自卸車匹配AT變速器設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議
1.對(duì)于礦用自卸車這種工作條件比較惡劣的特種車型,冷卻系統(tǒng)的布置可以將散熱器外置布置,這樣可以不受空間布置限制,既可以增加散熱器尺寸和散熱器的通風(fēng)面積,從而提高散熱能力,又能加大離地間隙,提高車輛通過(guò)性。
2.進(jìn)行整車傳動(dòng)系統(tǒng)匹配時(shí),使其常用工況盡量避開(kāi)變速器發(fā)熱量大的變扭區(qū)域,降低整車?yán)鋮s系統(tǒng)的工作負(fù)荷的。
3.匹配自動(dòng)變速器的礦用自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)因其獨(dú)特的油冷器冷卻系統(tǒng),冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車型有很大區(qū)別,應(yīng)對(duì)自動(dòng)變速器的最大發(fā)熱量作出合理評(píng)估,做好冗余設(shè)計(jì)。