高温地区装载机散热系统适应牲设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

某型轮式装载机(以下简称装载机)主要销往常年最高气温不超过 40℃的地区，近年来随着该型装载机需求量和客户区域的扩大，在常年最高气温达到45℃的地区具有较大的市场需求潜力，因此开发满足这些高温地区需求的第二本土市场的该型装载机势在必行，而设计适应高温地区的整机散热系统也就成为第二本土市场的该型装载机开发的核心任务。

装载机的散热性能是关系到整机工作性能的重要指标，近年来随着排放阶段的不断升级，设计满足散热需求的散热系统也成为装载机整机设计中需要解决的难题，而对于在现有整机基础上设计适应更高环境温度的整机散热系统，由于受到现有整机外观风格决定的机罩空间、车架安装尺寸和改进成本限制，整机散热系统的改进往往是比较棘手的问题。本文经过对该型装载机进行整机热平衡测试和数据分析，寻找改进方法，综合考虑降低成本，立足使适应高温地区的该型装载机的散热系统与现有整机上的安装和布置空间具有-定的互换性，寻找最优化的设计方案。

1 现有该型装载机的散热能力分析1.1 散热系统结构现有该型装载机散热系统在整机上的布置方作者简介：张碧荣(1984-)，男，贵州兴义人，助理工程师，学士，研究方向：工程机械设计。

· --- - 34·--案如图 1所示。散热系统采用液压马达驱动直径为786 mm、最高转速为 1 800 r/min的吸风式冷却风扇，风扇布置在整机最后端，散热器由水散、液压油散、空-空中冷器和变矩器油散组成，第-层为空-空中冷器和液压油散上下并排布置，第二层为水散热器，第三层为变矩器油散热器。

冷却风向1.液压马达 2.变矩器油散 3.水散 4.空-空中冷器5.隔热装置 6.发动机 7.液压油散热器 8.导风装置9.风扇图 1 原散热系统结构布置图1.2 散热性能测试与分析对该型装载机进行热平衡试验，测试数据见表1，在散热器迎风面上均匀标出 l6个点，并测试各点风速，测试数据见表2。

为了使新设计的散热系统适应环境温度 45℃地区，我们借助假设法分析、寻找解决方案，即假设现有该型装载机工作在45℃的高温地区，结合数据分析该机散热系统将会出现的问题，针对问题寻找解决方案～表 1的热平衡测试数据换算为 40。和 45℃两种环境温度下(见表 3)，可以看出该型装载机工作在40℃的环境温度中具有很好的散热性能，但是当环境温度高达45℃的时候，将存在如下问题：(1)在45℃的环境中，整机热平衡的水温将达到 104℃，超过发动机允许的最高运行温度，不能满足整机正常工作需要。

(2)液压油温欠佳，液压系统的最佳工作温度为75℃-8OcC，如果整机工作在45℃的环境下，油表 1 热平衡测试温度值 ℃水散 液压油散 变矩器油散 空-空中冷器项 目 环境温度进 口 出口 进 口 出口 进 口 出口 进口 出口行车试验 30.O 87.5 79.3 67.0 63.6 92.2 83.O 153.8 64.0作业试验 34.0 93.0 85.2 74.0 65.0 94.6 86.O 161.0 69.1表 2 散热系统风速测试数据 m/s散热器迎风面 l6个测点的风速5.52 5.88 5.48 5.626.89 7.04 6.94 6.794I39 5.84 5-35 4.622.93 4.08 5.8O 4.87表 3 热平衡温度 ℃水散 液压油散 变矩器油散 空-空中冷器项 目 环境温度进口 出口 进 口 出口 进口 出口 进口 出口行车试验 40.0 97.5 89.3 77.O 73.6 102.2 93.O 163.8 74.0作业试验 40.0 99.0 91.2 80.0 71.O 100.6 92.0 167.0 75.1行车试验 45.0 102.3 94.3 82.O 78.6 107.2 98.0 168.8 79.0作业试验 45.0 104.O 96.2 85.0 76.0 105.6 97.0 172.0 80.1温将达到85%，影响液压系统的工作效率。

(3)该系统的散热器三层串联布置形式风阻大，平均风速仅为5.5 m/s，过小的冷却风量使散热器的散热能力不能满足整机在 45cC的高温地区- 35- 正常工作。

2 散热系统的设计2.1 设计方案为了保持适应高温地区的该型装载机与现有整机外观风格-致，并立足拈化互换原则，散热系统的布置受到现有机罩和车架的限制，需要在有限的空间内以最优的方案满足整机散热性能，为此提出以下改进方案。

2.1.1 采用水-油冷却变矩器油散技术受散热系统安装空间的限制，迎风面积的增加很有限，为此采用水-油冷却变矩器油散技术，将不锈钢式水-油冷却器串联在水散出水口至发动机进水口的管路中，安装在整机后部燃油箱上，利用发动机冷却液对变矩器油散进行散热。风冷散热器传热过程中，对流换热类型为-般的气体强迫对流换热(表面传热系数h值在20～100之间)，而改用水冷油散后，对流类型变为液体强迫对流换热(表面传热系数h值在 1 000～15 000之间)，对流换热效果大大增加，因此采用该技术比风冷换热器更为经济，节收间，减少风冷部分所需的总散热面积，便于布置除变矩器油散以外的其余散热器。

2.1.2 优化散热器布置形式将原来三层串联布置的散热器改为两层布置，第-层为液压油散，第二层为水散空-空中冷器，并加大第-层与第二层之间的间隙，最大限度地减少风阻，增加冷却风量。

2.13 采用低转速大直径风扇对-定的功率消耗而言，大直径风扇低转速运转要比小直径风扇高转速运转能产生更好的冷却效果，所以风扇直径应在接近芯子的最小尺寸原则下选认大值，原散热系统采用直径为786 mm、最高转速为1 800 r/min的风扇，改为采用直径为 840mm、最高转速为 1 600 r/rain的风扇。

2.1.4 风扇中置该机型 目前采用布置在整机最后的吸风式风扇，冷却风经过机罩侧窗和顶窗这些人口进入散热器，参与冷却后从机罩后窗(整机后部)排出，该种布置方式中发动机与散热器之间安装隔热支架，可以减少发动机舱的热风进入散热器，但是完全密封的隔热装置总是很难做到的，也是不经济的。所谓风扇中置是指将风扇布置在散热器和发动机之间，中间加隔热板将发动机舱与散热器舱隔离开，冷却风从整机机罩的后窗进入，进风面没有阻挡物，能保证迎风面的风速均匀，同时避免前述的风扇后置式因密封不严导致热风被吸人散热器的缺点。

2.1.5 散热器可旋转打开液压油散布置在第-层，尽量加大其与第二层的间距，并设计为可打开式，便于客户对散热器进行维护。散热器被堵塞或者污染后，只需要打开液压油散，第二层的水散和空-空中冷器便暴露出来，很容易进行维护，同时降低了维护成本。

2.2 设计方案实施根据设计方案和散热器初步尺寸进行核算，核算的环境温度条件为45℃，计算结果如表4所示，匹配计算后的散热系统的冷却风风速达到8 rn/s。

表4 设计方案计算结果散热器名称 水散热器 中冷器 液压油散热器 变矩器油散热器工作介质 水50%乙二醇50% 空气 壳牌46号抗磨液压油 美孚黑霸王 1300散热量 ，(kw·h) 131 44 37 46散热器进口温度/(℃) 99 209 80 l10散热器出口温度 /(℃) 86 80 72 90根据上述改进方案和理论计算，结合整机的散热系统布置空间进行详细设计，详细设计的散热系统结构如图2所示。

2-3 试验验证对改进后的系统进行整机热平衡测试，测试数据见表 5，同时验证散热系统的冷却风风速，测试数据见表6～测试数据换算到45℃的环境温- 36- 度下，如表 7所示 ，可以看出测试结果满足设计要求。

2.4 试验验证结论从上述试验验证数据可见，在45C的环境温度下，水散热平衡温度低于 IO0C，液压油热平衡温度低于80%，变矩器油散热平衡温度小于 1 10℃，空-空中冷器出口温度低于80%，说明该整机散热系统6图 2 散热系统冷却风向1.发动机2.隔热装置3.风扇及其导风装置4.副水箱5.水散热器6.空-空中冷器7.可打开式液压油散8.水-油冷却式变矩器油散表 5 改进方案热平衡测试数据 ℃水散 液压油散 变矩器油散 空-空中冷器项目 环境温度进口 出口 进口 出口 进 口 出口 进口 出口行车试验 31.7 84.0 70.5 64.0 58.9 95.6 75.8 190.0 65.7作业试验 33.O 86.6 74.0 67.4 59.0 95.0 77.O 189.0 62.O表6 改进方案散热器迎风面风速测试结果 m/s散热器迎风面 16个测点的风速8.11 8.23 8.15 7.878.0O 8.07 8.23 7.988.09 8.14 8.06 7.558.3O 8.55 8.21 8.26表7 换算为45℃环境温度后的热平衡结果 ℃水散 液压油散 变矩器油散 空-空中冷器项 目 环境温度进口 出口 进口 出口 进口 出口 进口 出口行车试验 45 97.3 83.8 77-3 72.2 108.9 89.1 203.3 79作业试验 45 98.6 86 79.4 7l 107 89 201 74取得了设计预期的散热性能，45C的高温地区使用。

3 结束语能适应环境温度达 温地区的装载机散热系统具有-定的借鉴意义。

通过对现有整机散热系统进行整机热平衡测试，采用假设法暴露满足高温地区散热性能需求的该型装载机设计过程中需要解决的问题，寻找最优设计方案，通过改变现有该型装载机散热器的布置形式，采用水-油冷却器技术，重新匹配大直径低转速风扇，并将以前的风扇后置形式改为风扇中置，设计了满足高温地区的该型装载机，对开发适应高