郭振華，解德杰，史富增

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司 江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004）

電傳動(dòng)工程車輛以信息化程度高、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、信息傳輸、無人駕駛等特點(diǎn)，近幾年已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。電傳動(dòng)工程車輛以電能驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)作為動(dòng)力源，依靠傳感器和電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話控制車輛，省去了減速器、差速器和機(jī)械控制系統(tǒng)，完全消除了傳動(dòng)中的機(jī)械磨損，提高了傳動(dòng)效率，同時(shí)具有體積小、質(zhì)量輕及故障率低的特點(diǎn)。電傳動(dòng)車輛在運(yùn)行過程中輪轂電機(jī)和電機(jī)控制器會(huì)產(chǎn)生很大熱量，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冷卻設(shè)計(jì)是其中的重點(diǎn)之一。電傳動(dòng)工程車輛在實(shí)際工況運(yùn)行時(shí)，需實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，如急停、加速、減速、勻速、爬坡、越障等。在爬坡和越障的極限工況下對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效果要求非常高，會(huì)產(chǎn)生很大熱量。電機(jī)溫度升高后會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，甚至?xí)?yán)重影響電機(jī)和電機(jī)控制器壽命。因此，開發(fā)高效可靠地冷卻系統(tǒng)至關(guān)重要。本文分析研究了電傳動(dòng)工程車輛，根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了具有高低溫雙循環(huán)回路的冷卻系統(tǒng)方案，并對冷卻系統(tǒng)參數(shù)和關(guān)鍵部件散熱器的參數(shù)進(jìn)行了匹配計(jì)算。

1 冷卻系統(tǒng)組成和方案

電機(jī)冷卻方案冷卻系統(tǒng)的組成有行走電機(jī)、電機(jī)控制器、電動(dòng)球閥，流量計(jì)、電控水泵、溫度傳感器、散熱器總成、膨脹水箱。

在現(xiàn)有技術(shù)中，對電傳動(dòng)車輛的冷卻主要有兩種模式：（1）將所有待冷卻部件串聯(lián)起來，管路走向必須是從工作溫度較低的待冷卻部件到溫度較高的待冷卻部件，這樣就對整車的布置和管路的布置提出較高的要求；（2）運(yùn)用多個(gè)電磁閥、三通、水泵，將待冷卻部件并聯(lián)起來。

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

動(dòng)力系統(tǒng)中包括發(fā)電機(jī)、電動(dòng)電池組和控制系統(tǒng)，這些部件均有散熱要求，4個(gè)輪轂電機(jī)最大需求散熱量分別為1.5kW，工作溫度不大于120℃；4個(gè)電機(jī)控制器最大需求散熱量分別為1kW，工作溫度不大于60℃；電池組輸出功率為20kW，工作溫度范圍-40℃～125℃，

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案

從設(shè)計(jì)要求可知，輪轂電機(jī)和發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)工作溫度在100℃左右，相對為高溫?zé)嵩床考?，電機(jī)控制器工作溫度不大于60℃，相對為低溫?zé)嵩床考紤]到高低溫?zé)嵩床考ぷ鳒囟认嗖钶^大的特點(diǎn)，將高溫?zé)嵩床考偷蜏責(zé)嵩床考珠_，連接為兩個(gè)冷卻循環(huán)回路，提高冷卻系統(tǒng)的工作效率，使各個(gè)部件在最佳溫度下工作，設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 散熱系統(tǒng)原理圖

3.2 系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)各熱源部件散熱量及冷卻液流量需求，計(jì)算出各部件進(jìn)出口冷卻水溫度，輪轂電機(jī)循環(huán)回路冷卻液最大需求流量為35L/min，電機(jī)控制器循環(huán)水路最大需求流量為30L/min，4個(gè)電機(jī)的最大需求散熱量合計(jì)為6kW，4個(gè)電機(jī)控制器最大需求散熱量量合計(jì)為4kW。計(jì)算時(shí)以環(huán)境溫度為基準(zhǔn)溫度，環(huán)境溫度38℃

3.3 電子水泵選型計(jì)算

控制器的水阻為100k Pa，電機(jī)的水阻為200kPa。

3.3.1 管路壓力降計(jì)算

管路特性按下式計(jì)算

式（1）中第二項(xiàng)為揚(yáng)程損失，可用下式表示

式中 H/m——總揚(yáng)程；

H0/m——靜揚(yáng)程（即水被提升的高度）；

ΔH/m—— 揚(yáng)程損失，為管子直線部分的摩擦阻力損失ΔH1和管件的局部阻力損失ΔH2所組成；

Q/m3/h——水泵的流量；

R——管路阻力系數(shù)，其值推導(dǎo)于下按水力學(xué)原理可知

λ——管道揚(yáng)程損失系數(shù)，λ≈0.03；

d/m——管道內(nèi)徑；

g——重力加速度，g=9.81m/s2；

l/m——管道直線部分的長度；

ld/m—— 管件的等值長度，就是管件的阻力折合成同直徑直管阻力的等值長度；

V/m/s——管道內(nèi)水的平均流速。

將上式代入（3）式得

考慮到使用日久，管內(nèi)水垢使管徑減小，假定減小10%，則上式變?yōu)?/p>

又考慮到在排水管路中，有不同直徑的管路，將上式稍加變化得

式中 （1+ld）1，（1+ld）2，……（1+ld）n

—— 各管徑直管長度與管件折合的等值長度之和，m；

d1，d2，……，dn——各段管路的管徑，m。

將（4）式代入（1）式即為管路特性。

3.3.2 管道附件（管件）的揚(yáng)程損失

與（3）式相比較，得

將上式變換后得

式中 ξ——管件局部阻力系數(shù)；

K——管件阻力的等值長度折合系數(shù)，

各種管件的ξ和K值列于表1（取λ=0.03）。

表1 ξ和K值

3.3.3 并聯(lián)管路壓力降的計(jì)算

設(shè)Δh1，q1r1為第一條支管中的揚(yáng)程損失、流量和管路阻力系數(shù)；Δh2，q2r2為第二支管中的揚(yáng)程損失，流量和管路阻力系數(shù)。

總流量Q為兩流量之和，并考慮到兩管揚(yáng)程損失相等，即Δh1=Δh2=ΔH

將上面兩式轉(zhuǎn)換，可求得兩管并聯(lián)的阻力系數(shù)，

當(dāng)管路的并聯(lián)支路數(shù)為n時(shí)，并聯(lián)后總阻力系數(shù)和各支路的阻力系數(shù)公式為

根據(jù)公式（4）計(jì)算出各電機(jī)及電機(jī)控制器支路的管路阻力系數(shù)及揚(yáng)程損失

水泵1的管路阻力系數(shù)R1

水泵1管路中的揚(yáng)程損失ΔH

水泵2的管路阻力系數(shù)R2

水泵2管路中的揚(yáng)程損失ΔH2

根據(jù)電機(jī)及電機(jī)控制器的水阻值加管路中水阻值，及電機(jī)控制器和電機(jī)的需求水量，選擇水泵參數(shù)如表2所示。

表2 水泵參數(shù)

3.4 散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

計(jì)算引用參數(shù)

系統(tǒng)中總的散熱量：10kW；

水流量：65L/min；

環(huán)境溫度：38℃；

電機(jī)最高允許溫度：≤100℃；

電機(jī)控制器最高允許溫度：≤65℃。

冷卻液在體系內(nèi)循環(huán)是的溫升

由Vw=Qw/（Δtw×γw×Cw）得

Vw——冷卻水的循環(huán)量；

Qw——冷卻系統(tǒng)散走的熱量；

Δtw—— 冷卻水在體系內(nèi)循環(huán)時(shí)的允許溫升；

Γw——水的比重，可近似取Γw=1000kg/m；

Cw—— 水的比熱，可近似取Cw=4.187kJ/kg·℃。

估算散熱系統(tǒng)需求風(fēng)量

Δta—— 空氣進(jìn)入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差，通常Δta=10℃～ 30℃，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取Δta=15℃；

γa——空氣密度，取為1.128kg/m3；

Cpa—— 空氣的定壓比熱，取為1.047kJ/kg·℃。

由上知風(fēng)扇需255大功率風(fēng)扇1個(gè)或2個(gè)

圖2 風(fēng)壓-風(fēng)量-電流曲線

按2個(gè)B255-51B10-E00風(fēng)扇計(jì)算，根據(jù)上面對應(yīng)軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量曲線圖2所示，空氣壓力120Pa時(shí)，風(fēng)量近似取2370m3/h，2個(gè)風(fēng)扇風(fēng)量2× 2370m3/h＞3037m3/h，故2個(gè)VA113-BBL506PN-94A風(fēng)扇風(fēng)量能滿足其風(fēng)量要求。

由Va=Qw/（Δta×γa×Cpa）知，代入Va= 4740m3/h，得出Δta=9.6℃

散熱器的散熱面積計(jì)算校核

散熱器的計(jì)算所根據(jù)的原始數(shù)據(jù)參數(shù)是散熱器散熱的熱量和散熱器的外形尺寸。

已知散熱器需求散發(fā)的熱量，所需散熱面積可由下式計(jì)算

式中 Kr—— 散熱器對空氣的傳熱系數(shù)，一般為80～110kcal/·h·℃，取為100kcal/m2·h·℃；

Δtm—— 散熱器中冷卻水與冷卻空氣的平均溫差；

tw1——散熱器進(jìn)水溫度（65℃）；

tw2——散熱器出水溫度（65℃-7.2℃）；

ta1——散熱器進(jìn)風(fēng)溫度（38℃+8℃）；

ta2——出散熱器后空氣溫度（38℃）。

故Fs=Qw/（Kr×Δtm）代入Δtm=19.4℃，

得出Fs=5.5m2。

選擇散熱器的散熱面積為6，

由Fs=Qw/（Kr×Δtm）知，代入Fs=m2得

校核散熱器水箱散熱面積可以滿足其散熱需求。

4 結(jié)束語

對于電傳動(dòng)工程車輛考慮到高低溫?zé)嵩床考ぷ鳒囟认嗖钶^大的特點(diǎn)，將高溫?zé)嵩床考偷蜏責(zé)嵩床考珠_，連接為兩個(gè)冷卻循環(huán)回路，通過對冷卻管路中最大熱負(fù)荷冷卻系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算，壓力損失的計(jì)算，散熱器散熱面積的計(jì)算，選擇水泵及散熱器，并將計(jì)算結(jié)果與選型排風(fēng)扇和選型水泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配，滿足車輛最大熱負(fù)荷工況下的冷卻散熱要求，可為散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，具有工程應(yīng)用價(jià)值。