液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)熱平衡試驗(yàn)研究

胡 鵬

（康明斯（中國）投資有限公司，北京 100102）

液壓挖掘機(jī)已廣泛應(yīng)用于市政工程、交通運(yùn)輸、水利工程、農(nóng)田改造、礦山開采以及現(xiàn)代化軍事工程等機(jī)械化施工之中。

由于使用工況比較惡劣、工作負(fù)荷強(qiáng)度高及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，對(duì)挖掘機(jī)性能要求越來越高。而作為其動(dòng)力系統(tǒng)的核心—發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞，將直接影響挖掘機(jī)性能。按照發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡的規(guī)律，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力必須與之相匹配，才能使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在正常的油、水溫度范圍內(nèi)安全地工作，冷卻系統(tǒng)同時(shí)起到為液壓系統(tǒng)散熱的作用，散熱強(qiáng)度非常大[1]。因此研究液壓挖掘機(jī)的冷卻系統(tǒng)熱平衡，使發(fā)動(dòng)機(jī)在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)工作，對(duì)保障液壓挖掘機(jī)的長時(shí)間正常工作至關(guān)重要。

本文針對(duì)市場上液壓挖掘機(jī)出現(xiàn)的高溫現(xiàn)象，選擇常用的21t液壓挖掘機(jī)作為研究對(duì)象，通過理論分析影響散熱性能的主要因素，進(jìn)而提出改進(jìn)方案——調(diào)整風(fēng)扇和散熱器之間的距離，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，證明改進(jìn)方案可以有效地提高液壓挖掘機(jī)的散熱能力，并且提出了具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 研究背景

針對(duì)市場上某21t液壓挖掘機(jī)開展測試工作，驗(yàn)證其在高負(fù)載以及高溫工作條件下整機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力。測試液壓挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)配置情況如下。

1.1 測試工況

目前，我國液壓挖掘機(jī)行業(yè)尚無熱平衡試驗(yàn)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，許多主機(jī)廠的熱平衡試驗(yàn)都委托發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家或發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商來進(jìn)行[2]。筆者參考國內(nèi)主流發(fā)動(dòng)機(jī)廠商的測試要求，并結(jié)合JB/T 6033-92《履帶式推土機(jī)熱平衡性能試驗(yàn)方法》制定了履帶式液壓挖掘機(jī)熱平衡性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，主要內(nèi)容如下：H模式10檔，空調(diào)、大燈開，使用全開的節(jié)溫器，測試時(shí)間不小于2h，全負(fù)荷工作，挖掘深度為最大挖掘深度的1/2，卸載高度為最大卸載高度的2/3，防凍液加滿，液壓油加至液壓油箱的70%以上（工作裝置油缸中含有約20%液壓油），燃油量滿足工作時(shí)間即可，挖掘卸載作業(yè)回轉(zhuǎn)90°，每隔5min測量1次水溫，直到整機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)（10min內(nèi)溫升不超過±0.5℃）。測量讀數(shù)時(shí)盡可能在機(jī)器運(yùn)行中進(jìn)行，若在運(yùn)行中不能測量時(shí)，須在停機(jī)后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低至怠速時(shí)測量，測量時(shí)間不超過1min。

1.2 測試結(jié)果

根據(jù)以上工況，針對(duì)該款21t液壓挖掘機(jī)進(jìn)行熱平衡測試，表1為熱平衡狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)換算后的結(jié)果。

表1 熱平衡測試結(jié)果

從表1的結(jié)果可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度和液壓油溫度都已經(jīng)超過主機(jī)廠開發(fā)時(shí)的要求溫度。冷卻液溫度過高將會(huì)造成柴油機(jī)充氣系數(shù)的降低，燃燒不完全，輸出功率不足，機(jī)油變質(zhì)和燒損，零部件磨損加劇，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。液壓油溫度過高將會(huì)導(dǎo)致液壓油黏度降低，泄漏風(fēng)險(xiǎn)增加，使液壓元件產(chǎn)生熱變形，影響系統(tǒng)性能。如何降低冷卻液和液壓油溫度是解決液壓挖掘機(jī)熱平衡問題的關(guān)鍵。

2 理論分析

根據(jù)能量守恒定律，經(jīng)過散熱器和冷卻風(fēng)和散熱器中流動(dòng)的冷卻介質(zhì)交換熱量時(shí)，冷卻風(fēng)帶走的熱量等于冷卻介質(zhì)散失的熱量，在單位時(shí)間內(nèi)有以下等式

式中Ca——冷卻風(fēng)的比熱容，J/(kg℃)；

Cb——冷卻介質(zhì)的比熱容，J/(kg℃)；

ma——單位時(shí)間冷卻風(fēng)質(zhì)量，kg；

Mb——單位時(shí)間冷卻介質(zhì)質(zhì)量，kg；

t1——散熱器進(jìn)風(fēng)（冷卻風(fēng)）溫度，℃；

t2——散熱器出風(fēng)（冷卻風(fēng)）溫度，℃；

Ti1——散熱器出口（冷卻介質(zhì)）溫度，℃；

Ti2——散熱器進(jìn)口（冷卻介質(zhì)）溫度，℃。

由式（1）可以看出，若要提高冷卻系統(tǒng)散熱能力，對(duì)于同一冷卻系統(tǒng)理論上可以通過以下幾種途徑實(shí)現(xiàn)：①提高冷卻介質(zhì)的比熱容；②提高單位時(shí)間內(nèi)冷卻介質(zhì)流量；③提高冷卻風(fēng)的比熱容；④提高單位時(shí)間冷卻風(fēng)質(zhì)量；⑤降低散熱器進(jìn)風(fēng)（冷卻風(fēng)）溫度。

冷卻風(fēng)來自大氣，比熱容無法調(diào)整。冷卻液和液壓油等冷卻介質(zhì)也是確定的，比熱容保持不變。由于整機(jī)布置的原因，冷卻介質(zhì)的流量受到發(fā)動(dòng)機(jī)本體的水泵和液壓油泵的影響，也視為保持不變。因此最簡單的辦法就是提高冷卻風(fēng)質(zhì)量和降低散熱器進(jìn)風(fēng)（冷卻風(fēng)）溫度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，提高冷卻系統(tǒng)散熱能力可以通過以下措施實(shí)現(xiàn)：①提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；②增大風(fēng)扇直徑；③調(diào)整風(fēng)扇與散熱器芯體之間的距離；④減少風(fēng)扇葉尖與導(dǎo)風(fēng)罩的間隙；⑤減少冷卻系統(tǒng)本體的阻力[3]。

風(fēng)扇為發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，速比為0.82，提高轉(zhuǎn)速需要調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)，操作比較困難；同時(shí)增加風(fēng)扇直徑將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇重量變化，風(fēng)扇連接盤彎矩需要重新匹配計(jì)算；減少風(fēng)扇葉尖與導(dǎo)風(fēng)罩間隙的方法已經(jīng)有文獻(xiàn)介紹過，并取得良好的試驗(yàn)效果；而減少冷卻系統(tǒng)本體阻力需要對(duì)內(nèi)部流場進(jìn)行CFD綜合分析，因此本文僅從解決液壓挖掘機(jī)使用過程中的問題入手，調(diào)整風(fēng)扇與散熱器芯體之間的距離進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確定不同風(fēng)扇直徑下合適的距離，為主機(jī)廠設(shè)計(jì)和售后服務(wù)提供改進(jìn)方案和經(jīng)驗(yàn)參考。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在整機(jī)其他條件不調(diào)整的前提下，僅針對(duì)不同風(fēng)扇到散熱器芯體間距進(jìn)行熱平衡測試，不同間距的試驗(yàn)方案如表2所示。由于間距的調(diào)整，對(duì)風(fēng)扇沉入值做出了相應(yīng)的調(diào)整以保持和原機(jī)一致。

表2 不同間距試驗(yàn)方案

表2不同方案下熱平衡測試結(jié)果，其中，方案1和方案3都超過限值的要求，故方案2通過測試。

從表3還可以看出，如果以方案2的間距為基準(zhǔn)，隨著風(fēng)扇距散熱器芯體間距的變大或者變小，均會(huì)影響熱平衡結(jié)果。也就是說，在720mm風(fēng)扇直徑的條件下，風(fēng)扇距散熱器芯體間距在90mm左右是理想方案。

表3 不同方案下熱平衡測試結(jié)果

表4 不同間距下熱平衡測試結(jié)果

而風(fēng)扇距散熱器芯體間距小于50mm時(shí)，熱平衡結(jié)果偏差較大，不推薦在設(shè)計(jì)時(shí)低于50mm間距進(jìn)行布置。間距大于110mm同樣會(huì)影響散熱能力，但是影響的效果要小于50mm間距。即，較大的間距對(duì)熱平衡的效果要比較小的間距略好。

為了進(jìn)一步確認(rèn)具體最佳間距的范圍，再次選擇了間距為80mm和100mm作為驗(yàn)證，表4為細(xì)化間距后驗(yàn)證的結(jié)果。從表4中可以看出，80～100mm的間距都滿足熱平衡要求，即風(fēng)扇到散熱器芯體間距的設(shè)計(jì)指標(biāo)為風(fēng)扇直徑的11%～14%之間。

4 結(jié) 論

1）風(fēng)扇到散熱器芯體之間的距離和風(fēng)扇直徑有關(guān)，不能統(tǒng)一為某一定值。

2）通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可以得到，一般風(fēng)扇到散熱器芯體間距的設(shè)計(jì)指標(biāo)為風(fēng)扇直徑的11%～14%之間。

3）風(fēng)扇到散熱器芯體之間的最小距離不能低于50mm。

本研究僅針對(duì)售后問題而做出的最簡單的處理方式，通過調(diào)整風(fēng)扇到散熱器芯體之間的間距的確可以提高液壓挖掘機(jī)的散熱能力，為今后主機(jī)廠的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔣叢華.小型液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)熱平衡研究[D].長沙：中南大學(xué)，2007.

[2]呂 超，王 渠，劉 賓.液壓挖掘機(jī)熱平衡試驗(yàn)分析[J].建筑機(jī)械化，2009，30(2)：44-45.

[3]徐 威，李會(huì)超，夏 炎，等.液壓挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡改進(jìn)[J].建筑機(jī)械化，2013，(3)：89-90.