工程機(jī)械的動力系統(tǒng)設(shè)計

遼寧大連東拓工程機(jī)械制造有限公司 欒國臣

工程機(jī)械的動力系統(tǒng)設(shè)計

遼寧大連東拓工程機(jī)械制造有限公司 欒國臣

隨著現(xiàn)代化城市的二次開發(fā)建設(shè)、軌道交通、道路建設(shè)、能源開發(fā)等項(xiàng)目的進(jìn)行，工程機(jī)械的應(yīng)用在其中扮演的角色越來越重要。而工程機(jī)械的動力系統(tǒng)是作業(yè)效率與經(jīng)濟(jì)效益的有力保證。動力系統(tǒng)又是一門涉及多學(xué)科、技術(shù)復(fù)雜、理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的產(chǎn)物。本文主要介紹動力系統(tǒng)的構(gòu)成及與之相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計。在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了現(xiàn)代工程機(jī)械常用的系統(tǒng)配置與解決方案。

工程機(jī)械 燃油系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 電控系統(tǒng) 進(jìn)氣系統(tǒng) 排氣系統(tǒng) 設(shè)計

工程機(jī)械的動力系統(tǒng)主要由燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。應(yīng)根據(jù)設(shè)備的應(yīng)用狀況確定功率、扭矩、排量、轉(zhuǎn)速、瞬時功率及持續(xù)功率等參數(shù)。下面就將各個系統(tǒng)的設(shè)計與安裝詳細(xì)說明；

一、燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)指從油箱經(jīng)過粗濾器、油水分離器、PT泵、輸油泵及高壓噴油泵進(jìn)入到發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生動力。而其中的關(guān)鍵部位就是油箱設(shè)計與管路的連接設(shè)計；

1.油箱設(shè)計

油箱設(shè)計應(yīng)根據(jù)整機(jī)的排布在有限的空間盡可能將油箱設(shè)計大一些，主要是因?yàn)榇笕萘靠梢员ＷC作業(yè)時間與足夠的自然散熱。同時應(yīng)預(yù)留5%的膨脹空間，防止燃油膨脹外溢。焊接油箱在制作完成必須進(jìn)行充分的滲漏試驗(yàn)，保證其安全性與正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

出油口與回油口的位置應(yīng)保持在400mm以上的距離，出油口與回油口距離油箱底部20mm之上。同時底部應(yīng)該設(shè)計水與雜質(zhì)的沉淀設(shè)施并設(shè)立排水閥；

油箱上部應(yīng)使用帶有濾網(wǎng)的加油口，并設(shè)立通氣孔避免油箱內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致油路不暢。

必須設(shè)計計量油位的裝置，常用的計量器具有目測的油溫與位置計量器具與電子浮漂的液位計；推薦使用浮漂式的液位顯示器并帶有報警功能；同時應(yīng)增設(shè)防止油溫低于0°C的溫控加熱器。

二、管路設(shè)計

管路指從油箱的粗濾器到高壓噴射泵的供油管路與回油管路；主要包括粗濾器、油管、油水分離器進(jìn)入到發(fā)動機(jī)的PT泵。

油管應(yīng)選用耐油橡膠并能承受足夠的真空而不損壞或蹋癟，管路布置應(yīng)防止發(fā)生由于空氣造成的阻塞。

粗濾器必須大于100目，不能使用細(xì)濾器與紙質(zhì)細(xì)濾器因其容易產(chǎn)生阻塞而導(dǎo)致阻力過高及壓力波動而損壞濾清器。建議使用金屬絲編制的濾網(wǎng)口10～150目，過濾精度一般只有150um，主要過濾燃油中較大的顆粒和分離燃油中的“自由水分”

油水分離器須采用透明的油杯，因其容易觀察預(yù)警所以被廣泛使用。推薦使用帶有安全報警的透明油杯，且在明顯位置處標(biāo)示每天作業(yè)完后應(yīng)及時排除油水分離器中的水與油箱底部的沉淀水分與雜質(zhì)。

三、冷卻系統(tǒng)

工程機(jī)械的冷卻系統(tǒng)主要由散熱器、風(fēng)扇、散熱器的排布方式及風(fēng)扇的位置組成。

1.散熱器的選擇

市場上常用的散熱器主要由鋁質(zhì)與銅質(zhì)兩種材料制造而成的散熱器，因銅質(zhì)散熱器的散熱效果比鋁制散熱效果好，雖然價格較高但良好的散熱效果是高檔產(chǎn)品的首選。

在空間允許的情況下，應(yīng)選擇正面面積大、厚度薄、正方形的散熱器芯。因?yàn)樯崞髡婷娣e大相匹配的風(fēng)扇直徑就可以放大而轉(zhuǎn)速可以降低，這樣風(fēng)扇消耗的功率和噪音就會降低。散熱片的最佳密度為3片/10mm，越密阻力越大，越容易阻塞。一般可以通過計算確定散熱器的面積也可以估算其散熱面積；正面面積=0.35～0.42㎡/100kW

水箱散熱器應(yīng)通過減震器固定在車體上，防止水箱因車體的劇烈震動及熱脹冷縮時應(yīng)力過大產(chǎn)生裂紋；防止熱空氣再循環(huán)降低冷卻效果，應(yīng)在水箱周圍安裝密封的襯隔板組成的密閉的散熱室。

2.風(fēng)扇的設(shè)計

風(fēng)扇的選擇

（1）吸風(fēng)和排風(fēng)風(fēng)扇：對行走速度較高的設(shè)備，當(dāng)發(fā)動機(jī)安裝在設(shè)備前端時，選擇吸風(fēng)風(fēng)扇可以很好地利用迎面風(fēng)增強(qiáng)冷卻效果；當(dāng)發(fā)動機(jī)安裝在后端時，一般選擇排風(fēng)風(fēng)扇。對于行走速度不高的設(shè)備，可以選擇吸風(fēng)風(fēng)扇，也可以選擇排風(fēng)風(fēng)扇。一般來說，由于吸風(fēng)風(fēng)扇利用溫度較低的空氣冷卻水箱，效率要明顯高于排風(fēng)風(fēng)扇。

（2）風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和直徑：消耗功率相同的情況下，低速、大風(fēng)扇的冷卻效果和噪聲要明顯好于高速、小風(fēng)扇。另外，選擇風(fēng)扇時要注意風(fēng)扇的葉尖線速度不要超過4200～5000m/min。

（3）風(fēng)扇到散熱器芯的距離：吸風(fēng)大于50mm，排風(fēng)大于80～100mm。

（4）風(fēng)扇到發(fā)動機(jī)的距離：在風(fēng)扇支撐彎矩（7NM）許可的情況下，應(yīng)盡量遠(yuǎn)，但風(fēng)扇墊塊厚度一般不允許超過75mm。

（5）安裝風(fēng)扇時禁止使用彈性防松墊圈，防止風(fēng)扇法蘭因集中應(yīng)力損壞。

3.導(dǎo)風(fēng)罩的選擇

（1）常用導(dǎo)風(fēng)罩有三種：箱式、環(huán)式、喉口式。

（2）導(dǎo)風(fēng)罩和散熱器之間一定要密封。

（3）風(fēng)扇葉尖和導(dǎo)風(fēng)罩之間的間隙一般為風(fēng)扇直徑的1.5%～2.5%；

（4）風(fēng)扇在導(dǎo)風(fēng)罩中位置：吸風(fēng)，2/3在里，排風(fēng)，1/3在里。

溫度控制：發(fā)動機(jī)的正常工作溫度為71～990C，由節(jié)溫器控制。要求安裝水溫表和報警裝置；

4、散熱系統(tǒng)的布置

（1）傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)布置

傳統(tǒng)的散熱系統(tǒng)布置一般將風(fēng)扇安裝在發(fā)動機(jī)上，將水散、液壓油散熱器、空調(diào)散熱器、空-空中冷器前后布置。優(yōu)點(diǎn)：成本低；缺點(diǎn)：風(fēng)阻大，容易堵塞，容易過熱，不好布置；采用吹風(fēng)風(fēng)扇時很難避開發(fā)動機(jī)和消聲器的熱輻射；采用吸風(fēng)風(fēng)扇時發(fā)動機(jī)對風(fēng)扇氣流的阻力比較大。

（2）獨(dú)立散熱系統(tǒng)

將一部分或全部散熱器布置到一個不受發(fā)動機(jī)影響的地方，風(fēng)扇由液壓馬達(dá)驅(qū)動。優(yōu)點(diǎn):①布置靈活；②遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)的熱輻射；③可以根據(jù)水溫控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，降低功率損耗；④保養(yǎng)方便。

四、進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計

因?yàn)榇蠖鄶?shù)的工程機(jī)械在非常惡劣的環(huán)境下作業(yè)，這樣不得不將周圍的灰塵與顆粒吸入發(fā)動機(jī)進(jìn)行燃燒。由于灰塵是氣缸套、活塞、活塞環(huán)、氣門和氣門導(dǎo)桿的基本磨損源，因此對于一個好的發(fā)動機(jī)安裝并獲得長的壽命來說，仔細(xì)選擇空氣濾清器是至關(guān)重要的。常用進(jìn)氣系統(tǒng)的形式：目前只有兩級干式空氣濾清器被用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械、采木機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)動機(jī)上。

1.進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計的必要性

（1）灰塵是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)部件磨損的基本原因，而大多數(shù)灰塵是通過進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動機(jī)的。

（2）水會損壞/ 阻塞空氣濾清器濾芯，并且可能使發(fā)動機(jī)和進(jìn)氣系統(tǒng)發(fā)生腐蝕。

（3）進(jìn)氣溫度高意味著進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣密度下降，這將導(dǎo)致排煙增加、功率下降、向冷卻系統(tǒng)散熱量增加、發(fā)動機(jī)溫度升高。

2.容灰量計算應(yīng)參考《內(nèi)燃機(jī)空氣濾清器性能試驗(yàn)方法》(JB/T 9747-2005)主要根據(jù)濾清器廠家提供的容灰量，確定每小時濾清器應(yīng)達(dá)到容灰量；

3.設(shè)計時還應(yīng)該考慮如下因素

（1）過濾性能-濾清效率至少99.9%。

空濾應(yīng)具有足夠的容灰度以提供合理的濾芯更換周期

（2）進(jìn)氣阻力-系統(tǒng)裝備所有選裝附件后，發(fā)動機(jī)最大進(jìn)氣流量條件下，在發(fā)動機(jī)增壓器進(jìn)氣口測得的進(jìn)氣阻力不得大于發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)表上規(guī)定的限值。

（3）進(jìn)氣口位置-應(yīng)避免吸入雨、雪、發(fā)動機(jī)排氣和來自散熱器、冷卻器、機(jī)艙的熱空氣以及路面飛濺灰塵等污物。正常作業(yè)時進(jìn)氣溫升最大不得超過20℃。

⑷阻力指示裝置-推薦安裝高質(zhì)量的阻力指示裝置，它在空濾被阻塞到進(jìn)氣阻力達(dá)到發(fā)動機(jī)規(guī)定的最大限值時發(fā)出警告，以便及時更換或清理濾芯。

五、排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)主要由隔熱罩、柔性連接管及消音器構(gòu)成。各部位設(shè)計注意一下要求：

1.排氣系統(tǒng)的作用

（1）必須消減發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的排氣噪聲以滿足法規(guī)和客戶對噪音要求。

（2）由于發(fā)動機(jī)排出的廢氣對人體有害，必須把它們排到遠(yuǎn)離駕駛艙進(jìn)氣口的地方。

2.降低排氣噪聲，通過下述下述兩種方法

（1）利用反射元件；

（2）利用吸收/分散元件吸收或消弱聲波能量。

工程機(jī)械要求的噪聲為12 到18 分貝；

3.隔熱罩的設(shè)計應(yīng)注意

如果排氣系統(tǒng)有可能碰到人員或其他部件，則應(yīng)該安裝合適的隔熱罩以防止人員受傷或部件損壞。為減少消聲器和排氣管熱量輻射到其他容易損壞的部件上（膠管、電線、接頭等）也需要隔熱罩。

4.柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該注意

排氣系統(tǒng)的設(shè)計必須能承受系統(tǒng)的熱脹冷縮，必須允許發(fā)動機(jī)的振動和移動；如果排氣管路很短且固定在發(fā)動機(jī)上，可以不需要柔性連接管；如果排氣管路很長且固定在車架上，必須有柔性管部分，盡量減少排氣系統(tǒng)、增壓器、排氣歧管的應(yīng)力；柔性管的長度一般為300～600mm；一般來說，柔性管只在垂直方向帶柔性，而不能壓縮或延伸，柔性管不能作為彎管或補(bǔ)償管路之間的不對中。這樣容易因發(fā)動機(jī)振動造成管路斷裂。

六、結(jié)語

動力系統(tǒng)是當(dāng)代工程機(jī)械的核心，其運(yùn)行狀況是否良好及效率的高低及使用壽命均取決于動力系統(tǒng)的初期設(shè)計。