關(guān)于工程車輛駕駛艙采暖功率計算的探討

王海庭

（江蘇柳工機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212005）

隨著社會的發(fā)展和國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進，以及后期維護配套設(shè)施的不斷完善，越來越多的鄉(xiāng)村及市政應(yīng)用了更多的工程機械。工程機械也發(fā)展得越來越適應(yīng)全國范圍不同地域和不同環(huán)境的要求。工程機械的操作手也對整機的舒適性要求越來越高。例如冬季采暖這項指標已被絕大多數(shù)人認識到。

下面以挖掘裝載機作為研究對象，共同了解一下這類工程機械的駕駛艙采暖需要考慮哪些方面。

挖掘裝載機的駕駛艙與家用小汽車的車廂環(huán)境考慮的因素大致是相仿的，通過研究汽車車廂的受熱平衡，來模擬挖掘裝載機駕駛艙的制熱負荷。但是由于挖掘裝載機本身是工程機械，所以有其特有的客觀因素需要區(qū)別對待。

國內(nèi)大多數(shù)工程機械廠家在挖掘裝載機的駕駛艙設(shè)計制造方面，結(jié)構(gòu)基本較為接近，都是由金屬骨架、表面蒙皮、鋼化玻璃、內(nèi)部的塑料或紡織裝飾件、PE發(fā)泡保溫材料、駕駛艙地墊和電器元件等構(gòu)成，所以整個駕駛艙的采暖功率比較難以精確計算。

在核定駕駛艙的采暖功率時，會采用前人的經(jīng)驗，事先對環(huán)境因素進行預(yù)設(shè)定及一些特定條件進行簡化。

1 駕駛艙制熱負荷的分類及取值

通常情況下，駕駛艙與外界環(huán)境的熱能量傳遞有導(dǎo)熱、對流和輻射3種類型。

一般情況下，外部環(huán)境是在時刻不斷變化的，并且機器在工作時，其周圍環(huán)境也是不斷變化的，它們之間的熱能傳遞也處于非常不穩(wěn)定的狀態(tài)。

在中國適合冬季鏟掘作業(yè)的地區(qū)，環(huán)境溫度一般人為設(shè)定在-12℃。由于冬天的土質(zhì)在受凍結(jié)冰后很硬，不太適合進行鏟掘作業(yè)，但是考慮到施工進度等方面問題，大多數(shù)情況下在-12℃以下還是會有人員進行野外施工。因此，本文設(shè)定的冬季野外環(huán)境溫度為-15℃。

根據(jù)適合人員工作的舒適溫度為16～25℃的要求，我們進行了綜合評估，既要考慮到人員的舒適性，也要考慮到整機的運行功耗。根據(jù)CE標準規(guī)定，要求在寒冷環(huán)境下，能夠?qū)Ⅰ{駛艙內(nèi)溫度提升至并保持于18℃及以上，并且供熱系統(tǒng)應(yīng)至少具有在30 min內(nèi)升溫25℃的加熱能力。綜合評定后，將駕駛艙內(nèi)的基礎(chǔ)環(huán)境溫度設(shè)在18℃左右，設(shè)定完成后就需要對駕駛艙內(nèi)部進行加溫了。

雖然供暖會使駕駛艙內(nèi)溫度迅速提高，但是供暖一旦停止，必然會通過熱傳遞由高溫向低溫傳熱，很快駕駛艙內(nèi)部熱量就會被外界的環(huán)境溫度同化。所以還需要持續(xù)地向駕駛艙內(nèi)加熱，來平衡駕駛艙內(nèi)的舒適溫度區(qū)域向低溫區(qū)域的熱傳遞消耗，保證操作者的舒適性。

為了了解駕駛艙的熱消耗，必須知道哪些方面會對駕駛艙的熱能產(chǎn)生消耗（包括正消耗和負消耗）。

從傳熱方面，必須考慮到：①外部環(huán)境與駕駛艙的覆蓋件形成的熱傳遞；②通過玻璃與駕駛艙造成熱量傳遞的下降；③漏風(fēng)或新風(fēng)對駕駛艙造成的熱量損失；④機器本身的熱輻射對駕駛艙采暖造成的影響； ⑤駕駛?cè)藛T身體、駕駛艙內(nèi)用電器件散發(fā)的熱量對駕駛艙升溫的貢獻等。

與上面的這些影響相關(guān)的因素如鐵件與玻璃的傳熱系數(shù)、空氣密度等參數(shù)值，預(yù)先可在其他工具書中查得，在下文中會直接給出，不再進行詳細說明。

按照以上的分析，本文規(guī)定采暖系統(tǒng)的熱消耗能量一般由以下幾部分構(gòu)成

式中：QH——駕駛艙實際制熱功率；K——功率儲備系數(shù)，取1.1～1.5；Q′H——駕駛艙計算制熱功率；Qa——駕駛艙頂部消耗的熱功率；Qb——通過玻璃導(dǎo)熱消耗的熱功率；Qc——駕駛艙四周消耗的熱功率；Qd——駕駛艙受熱區(qū)域消耗的熱功率；Qe——冷空氣傳入駕駛艙消耗的熱功率；Q′p——人體散發(fā)的熱功率；Qf——駕駛艙前風(fēng)窗除霜消耗的熱功率。

一般情況，設(shè)定如下：駕駛艙內(nèi)舒適溫度為tb=16～18℃，外部環(huán)境溫度一般地區(qū)取值：tH=-15℃，此溫度可以根據(jù)具體的實際環(huán)境溫度值進行設(shè)定。

1） 駕駛艙頂部消耗的熱功率Qa一般是由駕駛艙頂部外表面鐵皮、油漆組成，內(nèi)部有一些頂內(nèi)飾，由于工程機械內(nèi)飾的隔溫性能較差，可以與頂蒙皮綜合一起考慮。所以利用以下公式可以算出駕駛艙頂部消耗熱功率Qa

式中：Qa——駕駛艙頂部消耗熱功率，W；Ka——駕駛艙頂部的傳熱系數(shù)，一般取值為1.5 W/（m2·K），此值為經(jīng)驗值，讀者可以根據(jù)實際情況查找資料進行完善，或者根據(jù)汽車的車身頂部傳熱系數(shù)公式計算；Fa——駕駛艙頂部面積，m2；Δta——駕駛艙頂部內(nèi)外空氣溫差℃。駕駛艙內(nèi)頂部溫度一般應(yīng)在室內(nèi)平均溫度上增加5～10 ℃，主要是根據(jù)一般情況下熱氣流上升的原則而定的。如果遇到非常寒冷的地區(qū)，可以根據(jù)實測來確定駕駛艙內(nèi)頂部溫度值。

2） 通過玻璃導(dǎo)熱消耗的熱功率Qb駕駛艙四周的玻璃窗和玻璃門由內(nèi)部向外部傳熱，使得駕駛艙內(nèi)的熱能損失的功率。采用以下公式進行計算

式中：Qb——通過玻璃導(dǎo)熱消耗的熱功率，W；Kb——駕駛艙玻璃的傳熱系數(shù)，一般取值為6.4 W/（m2·K）；Fb——駕駛艙四周的玻璃面積，m2；Δtb——駕駛艙內(nèi)的舒適溫度與外部環(huán)境的溫差，℃。

3） 駕駛艙四周消耗的熱功率Qc由駕駛艙四周外表面鐵皮、油漆組成，內(nèi)部有一些內(nèi)飾，由于工程機械內(nèi)飾的隔溫性能較差，可以與四周金屬圍板蒙皮綜合一起考慮。所以利用以下公式可以算出駕駛艙四周金屬圍板消耗負荷

式中：Qc——駕駛艙四周消耗的熱功率，W；Fc——駕駛艙四周金屬圍板面積，m2；Kc——傳熱系數(shù)，是駕駛艙四周金屬圍板的傳熱系數(shù)，一般取值為1.5 W/（m2·K）；Δtc——駕駛艙內(nèi)的舒適溫度與外部環(huán)境的溫差，℃。

4） 駕駛艙受熱區(qū)域消耗的熱功率Qd由發(fā)熱部件或發(fā)動機艙，與駕駛艙相接觸的面積或輻射的面積，所產(chǎn)生的熱消耗。此面積在寒冷的冬季時，是向駕駛艙進行加溫，但是由于環(huán)境及結(jié)構(gòu)的影響，不可能將100%的熱能傳遞給駕駛艙，只能減少駕駛艙向外的熱輻射。此時駕駛艙此部分的溫度會比外部環(huán)境溫度高8～10℃左右。利用以下公式可以算出駕駛艙受熱區(qū)域消耗的負荷

式中：Qd——駕駛艙受熱區(qū)域消耗的熱功率，W；Fd——駕駛艙受熱區(qū)域面積，m2；Δtd——駕駛艙內(nèi)外靠近地板處的溫差，℃，可以用駕駛艙內(nèi)部的舒適溫度值減去駕駛艙受輻射部分的外部環(huán)境溫度算出；Kd——傳熱系數(shù)，一般取值為8.14 W/（m2·K）。

5） 冷空氣傳入駕駛艙消耗的熱功率Qe主要是由新風(fēng)和整機運動過程中的漏風(fēng)造成的熱量損失。新風(fēng)是人為送入外部的新鮮空氣進入密閉的駕駛艙內(nèi)，提供駕駛員充足的氧氣需求，保證人員正常呼吸所用。漏風(fēng)是指由于駕駛艙的密閉性不好，在整機運動或靜止時，外界的冷空氣通過縫隙進入到駕駛艙內(nèi)部。所以利用以下公式可以算出駕駛艙受外界冷空氣傳入消耗的負荷

式中：Qe——冷空氣傳入駕駛艙消耗的熱功率，W；Ge——進入到駕駛艙的新風(fēng)和漏風(fēng)量的總和，m3/h；ρ——空氣密度，kg/m3，一般取值1.29；C——空氣熱比容，kJ/kg風(fēng)量，一般取值1.007；△te——駕駛艙內(nèi)的舒適溫度與外部環(huán)境的溫差，℃。

6） 人體散發(fā)的熱功率 Q′p人體的散熱能力與自身的性別、穿衣多少、年齡、勞動強度、周圍環(huán)境溫度等多種客觀條件都有關(guān)系。一般資料推薦駕駛員按照145 W/人計，乘員按116 W/人計。因研究的是工程機械駕駛室，駕駛?cè)藛T只有1人，并且在冬季，人員穿著較厚，人體溫度被厚衣物保持，所以取值為116W。計算公式如下

由于人體的散熱對于采暖有一定的貢獻，所以在計算采暖功率時需要將其減去。

7） 駕駛艙前風(fēng)窗除霜消耗的熱功率Qf在冬季的霜雪天氣，駕駛艙的擋風(fēng)玻璃上一般都會結(jié)霜，影響視線，必須清除才能工作。利用以下公式可以算出駕駛艙前風(fēng)窗除霜消耗的負荷

式中：Qf——駕駛艙前風(fēng)窗除霜消耗的熱功率，W；Gf——除霜風(fēng)量，m3/h，先要根據(jù)選用的前除霜出風(fēng)風(fēng)口的外形，計算出風(fēng)口的實際面積，根據(jù)鼓風(fēng)機的排量，計算出風(fēng)口的風(fēng)速，通過出風(fēng)口面積×風(fēng)速×?xí)r間，計算出除霜風(fēng)量；ρ——空氣密度，kg/m3，一般取值1.29；C——空氣熱比容，kJ/kg風(fēng)量，一般取值1.007；△tf——駕駛艙內(nèi)的溫度與外部環(huán)境的溫差，℃。

所以駕駛艙制熱負荷構(gòu)成：Q′H＝Qa＋Qb＋Qc＋Qd＋Qe＋Q′p＋Qf，QH＝K×Q′H。

通過以上理論計算得出駕駛艙制熱負荷。

2 駕駛艙熱功率測試

根據(jù)以上理論計算的駕駛艙制熱消耗功率，下文通過試驗進行論證。

根據(jù)EN474-1規(guī)定，要求在寒冷環(huán)境下，能夠?qū)Ⅰ{駛艙內(nèi)溫度提升至并保持于18℃及以上，并且加熱系統(tǒng)應(yīng)至少具有在30 min內(nèi)升溫25℃的加熱能力。

試驗應(yīng)在整機溫度達到整機使用說明書中規(guī)定的工作溫度后方可進行，采暖系統(tǒng)的加熱能力應(yīng)在圖1所示的3個點上測量。此3點符合GB/T19933.4中規(guī)定的第7、3、4、1、2這幾點的位置。

根據(jù)EN474-1的試驗要求進行模擬測試，試驗得出以下數(shù)據(jù)，如圖2～圖5所示。

圖1 人體采暖測試點位置

圖2 1點位置的溫度曲線

圖3 2點位置（SIP點）的溫度曲線

圖4 3點位置的溫度曲線

根據(jù)圖2～圖5可知加熱30 min3個溫度點的值，見表1。

表1 加熱30min3個溫度點的值

圖5 環(huán)境溫度曲線

根據(jù)以上的試驗?zāi)M測試，儀器采集的數(shù)據(jù)符合熱空氣上升的客觀原理，在30 min各點的溫升大于CE標準所規(guī)定的25℃。測試的數(shù)據(jù)表明計算方法是有效的，基本可信的。從圖2～圖5可以看出在大約83 min時采暖系統(tǒng)達到了溫度平衡點，溫度值見表2。

表2 采暖83 min各點達到平衡的溫度值

3 總結(jié)

從以上采集的數(shù)據(jù)可以看出，采暖系統(tǒng)制熱的溫度平衡點最低位在第3點（43℃），與環(huán)境溫度的差最小值為36℃。采暖系統(tǒng)制熱的溫度平衡點最高位在第1和第2點位置，與環(huán)境溫度的差最小值為38℃。

設(shè)計時要求的-15℃環(huán)境下升溫到18℃，溫差為33℃，相差了3℃～5℃，驗證了挖掘裝載機駕駛艙的制熱負荷計算具有一定的適用性，但是其精度還需要后面進一步研究。

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