履帶式推土機油冷器設(shè)計及兼容性研究

褚濤 萬光前 譚東東 于德澤 張超 林騰

摘要：本文介紹了履帶式推土機相關(guān)系統(tǒng)液壓油的作用及工作溫度范圍，分析了不同油冷器的應(yīng)用效果，結(jié)合履帶式推土機整機冷卻系統(tǒng)對油冷器設(shè)計的兼容性給出指導(dǎo)建議。

關(guān)鍵詞：推土機;油冷器;設(shè)計;兼容性

中圖分類號：TU623.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0005-02

0? 引言

履帶式推土機是一種復(fù)雜的機械設(shè)備，主要由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等系統(tǒng)構(gòu)成。這些系統(tǒng)的運行情況，直接影響履帶式推土機的動力性能、可靠性以及操作舒適性等性能指標(biāo)。

液壓油是履帶式推土機的重要工作介質(zhì)，設(shè)備運行時各系統(tǒng)中的液壓油能否保持在適合的溫度范圍，直接關(guān)系到設(shè)備的性能，因此必須采取適當(dāng)?shù)挠屠淦鲗σ簤河瓦M行冷卻。同時，設(shè)計時還必須統(tǒng)籌考慮其它冷卻單元（如水散熱器、中冷器等），提升油冷器在整個熱管理系統(tǒng)中的兼容性。

1? 履帶式推土機液壓油應(yīng)用介紹

液壓油時履帶式推土機的重要工作介質(zhì)，是實現(xiàn)動力傳遞、工作裝置運動等的關(guān)鍵因素，同時其還具有一定的冷卻潤滑作用。行業(yè)內(nèi)一般根據(jù)其所在系統(tǒng)的功能不同，將應(yīng)用于履帶式推土機的液壓油粗略地劃分為傳動油和工作油。傳動油和工作油采用不同類型的液壓油，其最佳工作溫度范圍也有區(qū)別。

1.1 液壓油作用

液壓油對各類履帶式推土機的功能實現(xiàn)具有不可替代的作用。以液力機械推土機為例，后橋箱內(nèi)的液壓油冷卻潤滑各個傳動齒輪，同時還可以實現(xiàn)推土機的變速及轉(zhuǎn)向功能;變扭器中的液壓油實現(xiàn)動力柔性傳遞，提高了推土機適應(yīng)外界負(fù)荷突變的能力;工作系統(tǒng)中的液壓油作為動力傳遞介質(zhì)，可以使各工作裝置實現(xiàn)目標(biāo)動作，比如鏟刀提升、傾斜，松土器提升下落，甚至是絞車卷揚;在最新的溫控液驅(qū)風(fēng)扇系統(tǒng)中，風(fēng)扇泵及馬達(dá)通過液壓油實現(xiàn)了風(fēng)扇驅(qū)動。在靜壓傳動推土機系統(tǒng)中，液壓油有著更為直接的關(guān)鍵作用，整車通過液壓泵與液壓馬達(dá)實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)向、工作裝置動作以及風(fēng)扇驅(qū)動。

1.2 液壓油種類及溫度控制

履帶式推土機傳動油一般為CF-4及其以上級別的柴油機油，工作油則為46#抗磨液壓油。兩種油的分布有所不同，在液力機械推土機中，傳動油分布在后橋箱、變扭器等傳動部件中，而工作油則分布在諸如鏟刀提升系統(tǒng)等工作液壓系統(tǒng)中，并且有單獨的油箱。在靜壓傳動推土機中，整車用到的都是工作油。為保證液壓油保持適當(dāng)?shù)恼扯?，除了根?jù)季節(jié)變化添加適合牌號的液壓油外，還需采取必要的冷卻手段將其控制在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶鷥?nèi)。一般傳動油工作溫度應(yīng)控制在90～110℃的范圍內(nèi)，工作油溫度應(yīng)控制在55～70℃的范圍內(nèi)。

2? 不同油冷器的應(yīng)用及效果

2.1 工作油冷器

由于工作油溫需控制在55～70℃的范圍內(nèi)，因此行業(yè)內(nèi)普遍采用風(fēng)冷的冷卻方式。如果采用水冷方式，工作油冷器就需要借助發(fā)動機冷卻液作為冷卻介質(zhì)，而發(fā)動機冷卻液溫度一般在75～95℃的范圍內(nèi)。水冷不但不能達(dá)到冷卻工作油的目的，反而有比較明顯的加熱作用。風(fēng)冷的工作油冷器一般為鋁質(zhì)板翅式結(jié)構(gòu)，芯體厚度一般在89mm以下。風(fēng)冷式工作油冷器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 傳動油冷器

由于傳動油工作溫度應(yīng)控制在90～110℃的范圍內(nèi)，行業(yè)內(nèi)采用水冷及風(fēng)冷兩種冷卻方式進行冷卻，水冷式油冷器的應(yīng)用比例更高。

①水冷式傳動油冷器。設(shè)計合理的水冷式油冷器，能使油水（發(fā)動機冷卻液）溫差控制在15～20℃范圍內(nèi)。由于發(fā)動機有節(jié)溫器等原件，可以使發(fā)動機冷卻液溫度控制在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，且不受環(huán)境溫度影響。因此水冷式傳動油冷器也可以不受環(huán)境溫度的影響，將傳動油溫始終控制在合適的溫度范圍內(nèi)。水冷式傳動油冷器芯體為釬焊板式散熱器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。水冷式傳動油冷器有的集成在發(fā)動機上，如圖3（a）陰影部分所示;有的集成于水散熱器的下水室內(nèi)，如圖3（b）陰影部分所示。

②風(fēng)冷式傳動油冷器。風(fēng)冷式傳動油冷器結(jié)構(gòu)及冷卻原理與工作油冷器一致，區(qū)別在于傳動油冷器的芯體厚度一般大于89mm。風(fēng)冷式傳動油冷器較水冷式更為高效，但是受環(huán)境溫度影響較大，尤其是采用不可變速冷卻風(fēng)扇的情況下。表1是某款推土機風(fēng)冷式傳動油冷器在不同環(huán)境溫度下的散熱參數(shù)計算模擬值（風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不可變條件下）。

由表1數(shù)據(jù)可見，當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時，油冷器的出口油溫已經(jīng)低于75℃，處于過冷的狀態(tài)。因此，采用風(fēng)冷式傳動油冷器時必須配套使用電子風(fēng)扇、溫控液壓驅(qū)風(fēng)扇等可變速冷卻風(fēng)扇，以避免環(huán)境溫度低時出現(xiàn)傳動油溫過低的情況。

3? 油冷器設(shè)計的兼容性研究

在明確履帶式推土機油冷器的設(shè)計規(guī)則后，還需要著重討論各種油冷器與整機冷卻系統(tǒng)的兼容性，此處兼容性主要指油冷器的布置位置。確保油冷器有適合的布置位置，使油冷器發(fā)揮最佳效果。

3.1 工作油冷器布置

實驗表明，冷卻氣流經(jīng)過水散熱器之后，溫升為20℃左右，而經(jīng)過中冷器之后溫升則高達(dá)40℃左右。以環(huán)境溫度為46℃為例，不考慮發(fā)動機艙的溫升，冷風(fēng)經(jīng)過水散之后溫度會達(dá)到66℃左右，經(jīng)過中冷器之后溫度可達(dá)到86℃以上，因此熱風(fēng)端氣流的溫度一般會達(dá)到80℃以上。而工作油適宜的溫度范圍是55～70℃，因此工作油冷器必須布置于整個冷卻系統(tǒng)的冷風(fēng)端。有兩種推薦的布置形式：與其它散熱器處于同一排，并聯(lián)布置;與其它散熱器分兩排布置，但是必須置于冷風(fēng)端。

3.2 傳動油冷器布置

履帶式推土機推薦采用水冷式傳動油冷器。根據(jù)傳動油冷器在冷卻液循環(huán)通路中與發(fā)動機的位置關(guān)系，可以將傳動油冷器分為串聯(lián)式油冷器（如圖3（b））及并聯(lián)式油冷器（如圖3（a））。串聯(lián)布置時，發(fā)動機小循環(huán)時傳動油冷器無水流經(jīng)，在低溫環(huán)境下，如果發(fā)動機一直處于小循環(huán)狀態(tài)，則傳動油會有過熱的隱患。并聯(lián)布置時，傳動油冷器中始終都有冷卻液流過，傳動油冷器冷卻效果可以保證。從冷卻機理上來分析，必須得采用并聯(lián)式油冷器。但匯總分析各功率段履帶式推土機的運行數(shù)據(jù)可知，凈功率180HP以下履帶式推土機傳動系統(tǒng)發(fā)熱量較小，采用串聯(lián)布置形式也可以滿足要求。

4? 結(jié)語

本文對履帶式推土機油冷器設(shè)計及兼容性進行了研究分析，并給出以下建議：①工作油冷器必須風(fēng)冷，必須置于整機冷卻系統(tǒng)的冷風(fēng)端。②傳動油冷器優(yōu)先采用水冷，且應(yīng)與發(fā)動機并聯(lián)布置，凈功率小于180HP時可以采用串聯(lián)布置。③采用速度可變冷卻風(fēng)扇時，可以采用風(fēng)冷式傳動油冷器。

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