劉恩亮，許錦錦，宋方真，李建華，呂 磊

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

冷卻系統(tǒng)是挖掘機重要的組成部分，在發(fā)動機和液壓介質(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艙內(nèi)部流動空間組成，在冷卻系統(tǒng)中，進入到散熱器的進風(fēng)量是冷卻性能的關(guān)鍵，在相同的條件下，進風(fēng)量較大時，冷卻系統(tǒng)的散熱能力也會增強。因此，開展挖掘機冷卻系統(tǒng)風(fēng)量影響因子的規(guī)律研究具有重要意義。

國內(nèi)外許多研究人員對挖掘機冷卻系統(tǒng)風(fēng)量進行研究，Dumas L.分析了客車進氣格柵相關(guān)參數(shù)如開口面積、位置等對冷卻部件氣流量的影響，通過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)動機艙前端進氣格柵的開口面積對艙內(nèi)的氣動性能和散熱性能的影響，結(jié)果顯示減小進氣格柵開口面積可以減小內(nèi)流阻力，但對散熱性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。王曉明利用CFD 方法研究不同進出口對汽車流場的影響，結(jié)果顯示汽車前端只有一個進出口的情況下不能滿足發(fā)動機艙內(nèi)的散熱要求，增加輔助進風(fēng)口滿足散熱需求。趙新明利用試驗方法建立發(fā)動機艙溫度場可視化圖形，在發(fā)動機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SUV車輛進行機艙內(nèi)空氣動力學(xué)分析，調(diào)整了前方進氣格柵進氣區(qū)域的造型，有效增大迎風(fēng)面的進氣量。目前，雖然CFD 仿真手段已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程分析上，但是工程機械車輛模型復(fù)雜，在仿真前處理方面的時間成本較大，因此，試驗研究顯現(xiàn)出了較大優(yōu)勢。

本文以某型挖掘機冷卻散熱模塊為對象，使用高精度葉輪測速儀，進行風(fēng)場試驗，基于統(tǒng)計學(xué)的四因素多水平試驗方案，研究不同進風(fēng)面積、不同進風(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，并繪制變化趨勢曲線，獲得各因子對風(fēng)量的影響規(guī)律。

1 風(fēng)場試驗

1.1 試驗介紹

挖掘機進出口示意圖如圖1 所示，進出風(fēng)口根據(jù)研究面積大小及位置進行是否封堵或拆卸?？諝饴窂綖榄h(huán)境-進風(fēng)門-機艙-散熱器-風(fēng)扇-機艙-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獲得風(fēng)量，如圖2 所示，采用綜合測試系統(tǒng)采集主機采集各測點風(fēng)速，試驗過程中觀察各測點速度變化曲線，取曲線穩(wěn)定時段的速度值?？紤]設(shè)備振動問題，在車靜止?fàn)顟B(tài)，調(diào)節(jié)發(fā)動機檔位，進行風(fēng)場測試。

圖1 挖掘機進出口示意圖

圖2 葉輪傳感器布置

葉輪傳感器25 個，采集頻率7kHz，分辨率≤0.1m/s，誤差不高于±2%，綜合測試系統(tǒng)采集主機是集風(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 試驗方案

試驗方案見表1 和表2，其工況設(shè)置模型說明見圖1。本文的面積占比為占散熱器迎風(fēng)面積的比例。

表1 進風(fēng)面積和進風(fēng)位置影響的試驗方案

表2 出風(fēng)面積和出風(fēng)位置影響的試驗方案

2 影響因子對風(fēng)量的影響

2.1 風(fēng)量計算方式

散熱器3 個芯體每個芯體所有測點的平均風(fēng)速為芯體的進風(fēng)速度，芯體進風(fēng)速度與面積乘積為芯體進風(fēng)量，3 個芯體的風(fēng)量之和為總風(fēng)量。以某一工況為例，風(fēng)量計算方式見表3。

表3 某工況風(fēng)量計算方式

2.2 進風(fēng)面積對風(fēng)量的影響

不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量與進風(fēng)面積關(guān)系如圖3，橫坐標(biāo)為進風(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)動機轉(zhuǎn)速為1 750rpm、進風(fēng)面積占比為85%時的風(fēng)量為基準(zhǔn)進行計算。

圖3 風(fēng)量與進風(fēng)面積關(guān)系

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

2.3 進風(fēng)位置對風(fēng)量的影響

不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量與進風(fēng)位置關(guān)系如圖4，橫坐標(biāo)為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為風(fēng)量百分比，進風(fēng)面積占比26%時，風(fēng)量百分比是以發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 750rpm、正前進風(fēng)時的風(fēng)量為基準(zhǔn)進行計算，進風(fēng)面積占比50%時，風(fēng)量百分比是以發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 750rpm、正前全部進風(fēng)+上部部分進風(fēng)時的風(fēng)量為基準(zhǔn)進行計算，見圖4。

圖4 風(fēng)量與進風(fēng)面積關(guān)系

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

2.4 出風(fēng)位置對風(fēng)量的影響

不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量與進風(fēng)位置關(guān)系如圖5，橫坐標(biāo)為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為風(fēng)量百分比，風(fēng)量百分比是以發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 750rpm、上部出風(fēng)時的風(fēng)量為基準(zhǔn)進行計算。

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)時進風(fēng)量最高，底部出風(fēng)次之，后部出風(fēng)最小。上部出風(fēng)時的風(fēng)量比后部出風(fēng)高6%左右，出風(fēng)位置影響相對較小。

2.5 出風(fēng)面積對風(fēng)量的影響

由于出風(fēng)位置的影響相對較小，因此在研究出風(fēng)面積影響的試驗方案中，采用多位置開孔調(diào)整出風(fēng)面積大小，以使影響因子的范圍變大。不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量與出風(fēng)面積關(guān)系見圖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)動機轉(zhuǎn)速為1 750rpm、出風(fēng)面積占比為50%時的風(fēng)量為基準(zhǔn)進行計算。

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，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，風(fēng)量增加5%左右。因此當(dāng)出風(fēng)面積較小時，風(fēng)量受出風(fēng)面積的影響較大。

試驗時只統(tǒng)計了形狀規(guī)則并且尺寸較大的出風(fēng)口面積，對各結(jié)構(gòu)件之間的裝配間隙以及不規(guī)則的小出風(fēng)口面積進行了忽略，因此挖掘機實際出風(fēng)面積比統(tǒng)計的出風(fēng)面積大，當(dāng)機艙密封很好的機型時，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

本文在挖掘機上進行風(fēng)場試驗，研究影響因子進風(fēng)面積、進風(fēng)位置、出風(fēng)面積和出風(fēng)位置對風(fēng)量的影響，得出如下結(jié)論。

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

2）從不同位置進風(fēng)時，正前方進風(fēng)效率最高，上部進風(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，上部出風(fēng)時進風(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研究，為挖掘機冷卻散熱模塊正向設(shè)計提供支持，進風(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)。