劉恩亮，許錦錦，宋方真，李建華，呂 磊

（徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221000）

冷卻系統(tǒng)是挖掘機(jī)重要的組成部分，在發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓介質(zhì)散熱中起到重要作用。冷卻系統(tǒng)由散熱器、風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩和部件之間圍成機(jī)艙內(nèi)部流動(dòng)空間組成，在冷卻系統(tǒng)中，進(jìn)入到散熱器的進(jìn)風(fēng)量是冷卻性能的關(guān)鍵，在相同的條件下，進(jìn)風(fēng)量較大時(shí)，冷卻系統(tǒng)的散熱能力也會(huì)增強(qiáng)。因此，開(kāi)展挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)量影響因子的規(guī)律研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行研究，Dumas L.分析了客車(chē)進(jìn)氣格柵相關(guān)參數(shù)如開(kāi)口面積、位置等對(duì)冷卻部件氣流量的影響，通過(guò)在散熱器上方增加了擋板導(dǎo)流措施，散熱效率得到提高。Saab S.研究了發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端進(jìn)氣格柵的開(kāi)口面積對(duì)艙內(nèi)的氣動(dòng)性能和散熱性能的影響，結(jié)果顯示減小進(jìn)氣格柵開(kāi)口面積可以減小內(nèi)流阻力，但對(duì)散熱性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。王曉明利用CFD 方法研究不同進(jìn)出口對(duì)汽車(chē)流場(chǎng)的影響，結(jié)果顯示汽車(chē)前端只有一個(gè)進(jìn)出口的情況下不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱要求，增加輔助進(jìn)風(fēng)口滿足散熱需求。趙新明利用試驗(yàn)方法建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度場(chǎng)可視化圖形，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋上增加通向外部的孔，艙內(nèi)溫度明顯降低。陳義應(yīng)用三維CFD 和一維KULI 耦合仿真方法對(duì)SUV車(chē)輛進(jìn)行機(jī)艙內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)分析，調(diào)整了前方進(jìn)氣格柵進(jìn)氣區(qū)域的造型，有效增大迎風(fēng)面的進(jìn)氣量。目前，雖然CFD 仿真手段已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程分析上，但是工程機(jī)械車(chē)輛模型復(fù)雜，在仿真前處理方面的時(shí)間成本較大，因此，試驗(yàn)研究顯現(xiàn)出了較大優(yōu)勢(shì)。

本文以某型挖掘機(jī)冷卻散熱模塊為對(duì)象，使用高精度葉輪測(cè)速儀，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的四因素多水平試驗(yàn)方案，研究不同進(jìn)風(fēng)面積、不同進(jìn)風(fēng)位置、不同出風(fēng)面積和不同出風(fēng)位置下的風(fēng)量變化情況，并繪制變化趨勢(shì)曲線，獲得各因子對(duì)風(fēng)量的影響規(guī)律。

1 風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)介紹

挖掘機(jī)進(jìn)出口示意圖如圖1 所示，進(jìn)出風(fēng)口根據(jù)研究面積大小及位置進(jìn)行是否封堵或拆卸?？諝饴窂綖榄h(huán)境-進(jìn)風(fēng)門(mén)-機(jī)艙-散熱器-風(fēng)扇-機(jī)艙-出風(fēng)口-環(huán)境，因此在散熱器迎風(fēng)面安裝葉輪傳感器來(lái)獲得風(fēng)量，如圖2 所示，采用綜合測(cè)試系統(tǒng)采集主機(jī)采集各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，試驗(yàn)過(guò)程中觀察各測(cè)點(diǎn)速度變化曲線，取曲線穩(wěn)定時(shí)段的速度值?？紤]設(shè)備振動(dòng)問(wèn)題，在車(chē)靜止?fàn)顟B(tài)，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)檔位，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)測(cè)試。

圖1 挖掘機(jī)進(jìn)出口示意圖

圖2 葉輪傳感器布置

葉輪傳感器25 個(gè)，采集頻率7kHz，分辨率≤0.1m/s，誤差不高于±2%，綜合測(cè)試系統(tǒng)采集主機(jī)是集風(fēng)速采集模塊、溫度采集模塊和CAN總線采集模塊等模塊于一體的綜合采集設(shè)備，配有采集與分析電腦及軟件1 套。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案見(jiàn)表1 和表2，其工況設(shè)置模型說(shuō)明見(jiàn)圖1。本文的面積占比為占散熱器迎風(fēng)面積的比例。

表1 進(jìn)風(fēng)面積和進(jìn)風(fēng)位置影響的試驗(yàn)方案

表2 出風(fēng)面積和出風(fēng)位置影響的試驗(yàn)方案

2 影響因子對(duì)風(fēng)量的影響

2.1 風(fēng)量計(jì)算方式

散熱器3 個(gè)芯體每個(gè)芯體所有測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)速為芯體的進(jìn)風(fēng)速度，芯體進(jìn)風(fēng)速度與面積乘積為芯體進(jìn)風(fēng)量，3 個(gè)芯體的風(fēng)量之和為總風(fēng)量。以某一工況為例，風(fēng)量計(jì)算方式見(jiàn)表3。

表3 某工況風(fēng)量計(jì)算方式

2.2 進(jìn)風(fēng)面積對(duì)風(fēng)量的影響

不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)面積關(guān)系如圖3，橫坐標(biāo)為進(jìn)風(fēng)面積占比，縱坐標(biāo)是風(fēng)量百分比，風(fēng)量百分比是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750rpm、進(jìn)風(fēng)面積占比為85%時(shí)的風(fēng)量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

圖3 風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)面積關(guān)系

從圖3 可以看出，當(dāng)散熱器正前方進(jìn)風(fēng)面積增加時(shí)，風(fēng)量增加，進(jìn)風(fēng)面積占比在45%～50%后，風(fēng)量增加變緩。當(dāng)進(jìn)風(fēng)面積占比從26%增至43%時(shí)，風(fēng)量增加10%～13%，增加較大，風(fēng)量受進(jìn)風(fēng)面積影響較大。

2.3 進(jìn)風(fēng)位置對(duì)風(fēng)量的影響

不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)位置關(guān)系如圖4，橫坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為風(fēng)量百分比，進(jìn)風(fēng)面積占比26%時(shí)，風(fēng)量百分比是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750rpm、正前進(jìn)風(fēng)時(shí)的風(fēng)量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)風(fēng)面積占比50%時(shí)，風(fēng)量百分比是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750rpm、正前全部進(jìn)風(fēng)+上部部分進(jìn)風(fēng)時(shí)的風(fēng)量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖4。

圖4 風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)面積關(guān)系

從圖4 可以看出，小進(jìn)風(fēng)面積時(shí)，正前方進(jìn)風(fēng)的風(fēng)量比上部進(jìn)風(fēng)的風(fēng)量高10%左右，大進(jìn)風(fēng)面積時(shí)，正前方進(jìn)風(fēng)的風(fēng)量比上部進(jìn)風(fēng)的風(fēng)量高15%左右，正前方進(jìn)風(fēng)效率最高，上部進(jìn)風(fēng)效率較低。

2.4 出風(fēng)位置對(duì)風(fēng)量的影響

不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)位置關(guān)系如圖5，橫坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為風(fēng)量百分比，風(fēng)量百分比是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750rpm、上部出風(fēng)時(shí)的風(fēng)量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

圖5 風(fēng)量與出風(fēng)位置關(guān)系

從圖5 中可以看出，上部出風(fēng)時(shí)進(jìn)風(fēng)量最高，底部出風(fēng)次之，后部出風(fēng)最小。上部出風(fēng)時(shí)的風(fēng)量比后部出風(fēng)高6%左右，出風(fēng)位置影響相對(duì)較小。

2.5 出風(fēng)面積對(duì)風(fēng)量的影響

由于出風(fēng)位置的影響相對(duì)較小，因此在研究出風(fēng)面積影響的試驗(yàn)方案中，采用多位置開(kāi)孔調(diào)整出風(fēng)面積大小，以使影響因子的范圍變大。不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量與出風(fēng)面積關(guān)系見(jiàn)圖6，橫坐標(biāo)為出風(fēng)面積占比，縱坐標(biāo)是風(fēng)量百分比，風(fēng)量百分比是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 750rpm、出風(fēng)面積占比為50%時(shí)的風(fēng)量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

圖6 風(fēng)量與出風(fēng)面積關(guān)系

從圖6 中可以看出，當(dāng)出風(fēng)面積占比增加時(shí)，風(fēng)量增加，在出風(fēng)面積占比為22%后，風(fēng)量增加變慢。當(dāng)出風(fēng)面積占比從15%增至22%時(shí)，風(fēng)量增加5%左右。因此當(dāng)出風(fēng)面積較小時(shí)，風(fēng)量受出風(fēng)面積的影響較大。

試驗(yàn)時(shí)只統(tǒng)計(jì)了形狀規(guī)則并且尺寸較大的出風(fēng)口面積，對(duì)各結(jié)構(gòu)件之間的裝配間隙以及不規(guī)則的小出風(fēng)口面積進(jìn)行了忽略，因此挖掘機(jī)實(shí)際出風(fēng)面積比統(tǒng)計(jì)的出風(fēng)面積大，當(dāng)機(jī)艙密封很好的機(jī)型時(shí)，出風(fēng)面積與散熱器迎風(fēng)面面積的比值建議增加。

3 結(jié)論

本文在挖掘機(jī)上進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)，研究影響因子進(jìn)風(fēng)面積、進(jìn)風(fēng)位置、出風(fēng)面積和出風(fēng)位置對(duì)風(fēng)量的影響，得出如下結(jié)論。

1）風(fēng)量隨進(jìn)風(fēng)面積的增加而增加，進(jìn)風(fēng)面積占比在45%后，風(fēng)量增加速度變緩。

2）從不同位置進(jìn)風(fēng)時(shí)，正前方進(jìn)風(fēng)效率最高，上部進(jìn)風(fēng)效率較低。

3）風(fēng)量隨出風(fēng)面積的增加而增加，出風(fēng)面積占比在22%后，風(fēng)量增加速度變緩。

4）從不同位置出風(fēng)時(shí)，上部出風(fēng)時(shí)進(jìn)風(fēng)量最高，底部出風(fēng)次之，后部出風(fēng)最小。

本文的影響因子試驗(yàn)研究，為挖掘機(jī)冷卻散熱模塊正向設(shè)計(jì)提供支持，進(jìn)風(fēng)面積在允許情況下應(yīng)取散熱器迎風(fēng)面積的45%及以上，并盡可能從散熱器正前方進(jìn)風(fēng)，出風(fēng)面積在條件允許情況下應(yīng)取散熱器迎風(fēng)面積的22%以上，并盡可能從上部出風(fēng)。